절대 관측할 수 없다던 아인슈타인의 십자가, 벌써 12개나 발견했다 - 미세 중력 렌즈 현상과 외계 행성의 발견

우주의 법칙을 정립한 아인슈타인은 앞으로 '절대' 관측할 수 없을 것이라는 현상을 하나 제시했습니다. 바로 '십자가' 현상인데요. 대체 어떤 현상이길래 우주에서 실제로 일어나지만 인간은 절대 관측할 수 없을 것이라고 했을까요?
 

아인슈타인(좌)과 별의 십자가 현상(우) (출처 위키백과)

 
아인슈타인은 강한 중력은 빛을 굴절시키거나 심지어 빨아들일수도 있다고 주장했습니다. 이제 이 이론은 여러가지 실험과 관찰에 의해 증명되었죠. 이에 아인슈타인은 한가지 재미난 상황을 가정합니다. 만약 아주 밝은 별과 중력이 강한 별 그리고 지구가 일직선상에 있다면, 별의 모양이 어떻게 보일까...
 

별A, B, 지구가 일직선상에 있는 모습을 가정한다

 
우리가 밤 하늘의 별을 볼 수 있는 것은 별 빛이 우리 지구까지 들어오기 때문입니다. 물론 이는 시간이 아주 오래 걸리죠. 빛은 직진성이 있기 때문에 빛을 산란시키거나 굴절시키는 특별한 물질이 중간에 있지 않는한 별에서 출발한 빛은 지구까지 직선으로 향합니다.
 

A의 빛은 사방으로 이동하고, 이 중 지구로 향한 빛만 우리가 관측할 수 있다.

 
별은 빛을 사방으로 뿜어낼거에요. 그런데 멀리 있는 별(A)와 지구 사이에 중력이 강한 별(B)가 있다면 어떻게 될까요? 앞서 중력은 빛을 굴절시켜 휘게할 수 있다고 하였습니다. 이 때문에 별A에서 방출되는 빛을 휘게해 지구쪽으로 모을 수 있죠. 마치 돋보기(볼록렌즈)를 햇빛 밑에 대었을 때 빛을 모아 종이가 타는 것과 비슷한 원리입니다. 이를 '미세 중력 렌즈 효과'라고 해요.
 

B의 중력이 마치 돋보기처럼 작용해 A의 빛을 지구로 모은다.

 
자, 그렇다면 우리 눈에는 별A가 어떻게 보일까요? 우리 눈은 착시를 일으켜 마치 별A가 사방에 있다고 느끼게 되고, 가운데 별B를 중심으로 여러개의 별A가 그 주변에 있는 것처럼 보이게 되죠. 이를 아인슈타인은 '우주의 십자가'라고 지칭했으며, 밝은별 - 중력이 강한 별 - 지구가 일직선상에 있어야 하고, 그 거리도 초점이 맞는 거리여야 하는 등 조건이 매우 까다롭기 때문에 앞으로 인간은 이러한 현상을 관측할 수 없을 것이라고 예언했습니다.
 

미세 중력 렌즈 효과 (또는 미세 중력 렌즈 현상)

 
하지만, 과학기술의 발전은 정말 엄청나요. 인류는 이 십자가를 관측해내고야 맙니다. 과학자들은 1979년 최초로 이 십자가 현상을 관측하는데 성공했습니다. 아인슈타인이 십자가 이론을 발표한 지 약 60년 만에 말이죠. 그 이후로도 관측기술이 더욱 정밀화되면서 지금까지 12개의 아인슈타인 십자가가 발견되었고, 이는 앞으로 더욱 증가할 것으로 예상되고 있습니다.
 

외계 행성의 중력에 의해 그래프에 비연속적인 '피크'가 관측된다. (출처 한국천문연구원)

 
이 미세 중력 렌즈 효과는 외계의 행성을 찾는데도 활용할 수 있습니다. 스스로 빛을 내는 별(항성)과 달리 항성 주위를 도는 지구와 같은 행성은 스스로 빛을 내지 않기 때문에 태양계에 있는 수,금,화,목,토,천,해 를 제외하고는 관측하기 어려워요. 하지만 미세 중력 렌즈 효과를 이용하여 외계 행성계의 행성 존재를 파악할 수 있는데요. 행성도 미미하게나마 중력을 가지고 있기 때문에 행성의 중력에 의해 멀리 있는 별 A의 빛 세기가 순간적으로 변동되게 됩니다. 과학자들은 이를 추적하여 외계 행성의 존재를 확인하는데 사용하죠.
 

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외계 행성을 발견하는 방법은 직접 관찰, 식 현상, 도플러 효과를 이용하는 방법 등 다양한데요. 앞서 언급했듯이 미세 중력 렌즈 현상은 관측 조건이 까다롭고 주기적으로 일어나는 현상이 아니기 때문에 이를 이용해서 관측한 행성의 수는 매우 적지만, 미세 중력 렌즈 현상을 이용하면 지금까지 관측한 외계 행성보다 더 먼 곳에 있는 외계 행성까지 관측할 수 있어요. 외계 행성의 발견은 외계 생명체 탐사의 시작점과도 같으니 정말 흥미롭네요.