驚くべき重力レンズ効果により、時空の実際の曲率を見ることができます。この証拠は信頼できるでしょうか?

重力レンズ効果は、アインシュタインの時空曲率理論から導き出された結論であり、予測でもあります。多くの人は時空の曲率理論を嘲笑し、この目に見えず触れることのできないものは、科学者が想像力に基づいて無作為に推測したものに過ぎないと信じています。

重力レンズ効果の発見は、これらの人々に衝撃を与えた。重力レンズ効果により、人々は時空の曲率に関する真実を直感的に理解できるようになり、目に見えない時空の曲率を目に見える形にすることができるからです。

重力レンズ効果とは何ですか?

時空曲率理論では、質量によって周囲の時空が曲がると考えられています。質量が大きく、粒子に近づくほど、形成される時空の曲率は大きくなります。この曲がった時空は遠くからは見えず、触れることもできませんが、物体がこれらの巨大な天体に近づくと、曲がった時空によって変化し、より引き寄せられてその曲率に沿って移動する傾向があります。この現象は重力という形で現れます。

この理論は万有引力の起源を完璧に説明します。対応する万有引力に基づく重力場理論は、ニュートンの古典力学のいくつかの誤りとエラーを修正し、天体運動と航空宇宙の計算をより正確なものにします。

1911 年にはすでに、アインシュタインは、巨大な天体によって周囲の時空が曲がっているため、遠くの星からの光は太陽の表面を通過するときにわずかに屈折するだろうと提唱していました。 1916 年、アインシュタインは一般相対性理論を発表し、時空の曲率理論をさらに体系的に詳述しました。

アインシュタインの理論は衝撃的で、科学界に大きな反響を引き起こした。アインシュタインの時空曲率理論を検証するために、イギリスの天文学者エディントンは探検隊を率いて、アフリカのプリンシペ島にある日食観測に最適な地点まで数千マイルを旅しました。 1919 年 5 月 25 日の皆既日食の際、遠くの星の光が太陽の近くを通過し、1.75 インチ偏向することが観測されました。

これは、物質が時空の形状を決定し、質量による時空の歪みによって引き起こされる重力現象が光を曲げるという、アインシュタインの一般相対性理論の予測を検証するものです。宇宙では、前方の巨大な天体が視界の背景の銀河を明るくしたり、その像を歪めたりすることがあります。その原理は光学レンズの効果に似ているため、重力レンズ効果と呼ばれています。

重力レンズ効果は、一般的に、観測者、前面の物体、観測される背景の物体という 3 つの条件で構成されます。観測者とは、もちろん、宇宙望遠鏡やその他の施設を通じて宇宙の天体を観測する地球上の私たち人間です。前駆物体は、観測対象の背景物体と観測者との間の重力源物体である。観測される背景物体は、重力レンズを通して人間がその光を観測する遠方の天体です。

重力レンズを通過する光源を観測することで、重力レンズの存在を知ることができ、それによって時空の曲率の存在を確認することができます。

重力レンズが発見され、ますます

写真はQSO 0975+561の光学画像です。下の左の写真は VLA 画像です。 A と B はレンズ G として機能し、A と B は鏡面対称であることがわかります。

重力レンズ効果を最初に発見したのは、イギリスとアメリカの天文学者、デニス・ウォルシュ、ロバート・カースウェル、レイ・ウェイマンのグループでした。研究チームは、アリゾナ州キットピーク国立天文台の2.1メートル光学望遠鏡を使用して、視野角がわずか6インチしか離れていない非常に近い2つのクエーサー、QSO0957+561AとQSO0957+561Bを観測した。

不思議なのは、これら 2 つのクエーサーのスペクトルが非常に似ており、輝線赤方偏移が 1.405、吸収線赤方偏移が 1.39 で、電波フラックス密度も非常に近く、見かけの距離も非常に近いことです。結局、科学者たちは、2つのクエーサーは実際には1つの物体の2つの虚像であり、その像はアインシュタインが予測した重力レンズ効果によって形成された像であると信じました。

この写真は、クエーサー QSO 0957+561A と B の 2 つの画像のスペクトルを示しています。形状は非常に類似しているため、実際には重力レンズ効果後のクエーサーの 2 つの鏡像です。

さらに観測と計算を進めた結果、QSO0957+561クエーサーは地球から87億光年離れており、その間に挟まれレンズの役割を果たしている天体YGKOW G1（略してG1）は地球から37億光年離れていることが判明した。このG1は巨大な重力レンズを形成する巨大な銀河です。 QSO0957+561 クエーサーの光がレンズを通過すると、拡大され、2 つの鏡像が形成されます。

1980年、ワイマンと彼の同僚は、三重像のように見える別のクエーサー、PG 1115+080を発見しました。しかし、画像の 1 つは特に明るく、他の 2 つよりもはるかに明るかったです。その後、これは 0.5 インチの差がある 2 つの画像を重ね合わせた結果であることが判明しました。つまり、重力レンズによって屈折したクエーサーの画像は、実際には 4 重画像だったことになります。

この四重像重力レンズ効果はアインシュタインの十字と呼ばれます。

理論的には、どの天体も周囲の時空を歪ませ、重力レンズを形成します。したがって、重力レンズは宇宙のあらゆる場所に存在していると言えます。しかし、この「レンズ」は、その「レンズ」が十分に大きく、その背後に拡大された天体または多重反射された天体がある場合にのみ意味を持ち、さらに遠くの天体に重力レンズ効果が形成される場合にのみ意味を持ちます。

重力レンズが次々と発見されるにつれ、遠くの天体の多重鏡像だけでなく、アインシュタインリングも発見されるようになりました。いわゆるアインシュタインリングは重力レンズ効果によって発生し、レンズを通過する光源がリング状に歪む原因となります。重力レンズの縁の周りには、不完全な円もあれば完全な円もあります。

1988年、アメリカの天文学者ヒューイットらは、MG1131 + 0456と名付けられた最初の不完全なアインシュタインリングを発見しました。 1998年、イギリスの天文学者たちはハッブル宇宙望遠鏡を使って、B1938 + 666と名付けられた最初の完全なアインシュタインリングを発見しました。

下の写真の美しいリングはペイントされたものではなく、重力レンズ効果を実際に撮影した写真です。

現在、重力レンズ現象は宇宙のいたるところに見られます。重力源の大きさに応じて、重力レンズはマイクロレンズ、弱い重力レンズ、強い重力レンズの 3 つのレベルに分類されます。

太陽などの天体によって形成される重力レンズは典型的なマイクロレンズであり、遠方の天体からの光が通過する際にわずかに偏向するだけです。弱重力レンズの拡大・増強効果はマイクロレンズよりも強く、通過する光源をより明るくします。強力な重力レンズは通過する光源を大幅に増幅し、星の像を変えて、二重像、多重像、半円弧、全円弧を形成します。

これらの重力レンズを通して、人々はより遠くにある、より明るい天体を見ることができます。

重力レンズ効果により遠い過去を見ることができる

現在、科学界は、90億光年以上離れた原始的な星や130億光年以上離れた銀河の発見など、さまざまな巨大で高精度な天体望遠鏡を通じて、ますます遠くの天体を観測しています。しかし、これらの星や銀河は望遠鏡では直接見ることができません。代わりに、それらは、遠くのかすかで薄暗い星の光を何倍にも拡大する、前景の天体の巨大な重力レンズ効果を通じて発見されます。

たとえば、2016 年 5 月、天文学者は 90 億光年離れた星からの光を観測しました。これはハッブル望遠鏡と重力レンズの組み合わせによって発見され、この遠方の星の光がはるかに明るくなりました。この星は LS1 (Lensing Star 1) と名付けられ、「イカロス」というニックネームが付けられました。

一般的に言えば、現代の宇宙望遠鏡は 1 億光年以内の単一の星を簡単に観察することができます。したがって、そのような星を見つけるには、重力レンズ効果に頼って、星の真ん中にある前方重力源を見つけなければなりません。この重力源によって形成される重力レンズは、通常、50 倍まで簡単に拡大できるため、1 億光年以内の単一の星を区別することができます。

LS1の星々の間に挟まれた重力レンズによって星は2,000倍に拡大され、解像度を人間の目の6億倍に高めるハッブル望遠鏡の強力な機能により、天文学者はこの星を見ることができた。

人間の目による観察と光の速度の関係によれば、物体が遠いほど、その歴史は古いことになります。重力レンズ効果により、130億光年以上離れた天体を観測することができます。そのため、これらの天体はビッグバン初期の状態、つまり宇宙の幼児状態であると考えられ、宇宙の進化を研究する上で重要な役割を果たしています。

現代物理学における2つの新たな暗雲

20 世紀初頭、科学界は人類の物理学の建物の本体は完成しており、残っているのは装飾作業だけだと考えていました。しかし、人々の前に2つの暗雲が現れました。1つは光の波動力学であり、マイケルソン・モーリーの実験の結果はエーテルドリフト理論と矛盾していました。もう 1 つは、主に熱力学におけるエネルギーの等分配の法則が、気体の比熱や熱放射エネルギー スペクトルの理論的説明において実験結果と矛盾する結果を生み出したという事実を指しており、その中で最も顕著だったのは黒体放射理論に現れた「紫外線大惨事」でした。

アインシュタインとプランク

この二つの暗雲は、ニュートンの古典力学とマクスウェルの統一電磁気学理論に基づく理論に危機をもたらしました。これらの建物は倒壊するのでしょうか、それとも取り壊されて再建されるのでしょうか?しばらくの間、物理学界は混乱とパニックに包まれました。アインシュタインの相対性理論とプランクの量子力学の誕生により、物理学の体系に再び光が戻った。

その結果、相対性理論と量子力学は現代物理学の最も重要な2つの基礎となり、物理学は古典から現代へと移行しました。

現在、物理学界にはさらに大きな暗雲が二つ現れている。それらは目に見えず、触れることもできませんが、どこにでもあるようです。これらは暗黒物質と暗黒エネルギーです。

宇宙の天体の運動を支配する法則を研究すると、理論との矛盾が常に存在し、その矛盾はかなり大きいことがわかります。たとえば、1933 年に天体物理学者ツビッキーはスペクトル赤方偏移を使用してかみのけ座銀河団内の各銀河の移動速度を測定し、これらの銀河の速度分散が極めて高いことを発見しました。目に見える銀河の質量の重力はこれらの銀河を結びつけることが全く不可能であり、銀河団はずっと前に崩壊していたであろう。

したがって、彼はこの銀河団には他の目に見えない物質が存在するに違いないと指摘した。計算の結果、この物質は目に見える物質の少なくとも100倍あることが分かりました。その後、科学者たちはこの現象が宇宙に普遍的であることを発見し、この目に見えない物質を「暗黒物質」と名付けました。

これにより、別の矛盾が生じます。つまり、暗黒物質が宇宙全体に広がっている場合、それらの間の重力は非常に大きくなり、宇宙全体が縮小しているはずです。しかし、研究により、宇宙は依然として加速的に膨張していることが判明しました。この膨張力はどこから来るのでしょうか?この力は目に見えず、触れることもできないため、科学者はこのエネルギーを「ダークエネルギー」と呼んでいます。

このダークエネルギーはどれくらい大きいのでしょうか?宇宙の膨張と銀河の引力に関する複雑な計算を行った結果、暗黒エネルギーは暗黒物質よりも数倍豊富であるという結論に至った。科学界における一般的な見解は、私たちの宇宙では、星、銀河、星間物質などの観測可能な物質は宇宙全体のわずか 4.9% を占め、暗黒物質は 26.8%、暗黒エネルギーは 68.3% を占めるというものです。

したがって、私たちの宇宙の未来と行き先は、目に見える物質ではなく、暗黒物質と暗黒エネルギーの間の駆け引きによって決まるようです。天体物理学にかかっているこの2つの「暗雲」を解明しなければ、人類が宇宙のより深い真実を発見することは困難になるでしょう。しかし、暗黒物質と暗黒エネルギーは観測できません。では、それらは一体何なのでしょうか?宇宙での分布はどうなっているのでしょうか?これは科学界が何十年も解明しようとしてきた疑問です。

ありがたいことに、重力レンズ効果により暗黒物質が見えるようになった。

暗黒物質は電荷を帯びていないため、光子と相互作用しません。人間は物質を観察するために完全に光（可視光、電波、光線はすべて異なる光の帯域です）に依存しています。このように、暗黒物質は人間にとって透明です。銀河や銀河団内の暗黒物質の質量は重力の影響によって計算できますが、この暗黒物質の宇宙空間での分布がわかったらどうなるでしょうか?

重力レンズ効果は人々に希望の光を与えます。

重力レンズ効果を生み出す前駆天体は、巨大なブラックホール、銀河、銀河団などの場合もあれば、単純な暗黒物質の集団の場合もあります。銀河団などの目に見える天体においても、暗黒物質が大きな位置を占めています。

暗黒物質は放射線を放出せず直接観察することはできませんが、重力レンズ効果において重要な、あるいは主要な役割を果たすため、科学者は重力レンズ効果を利用して空間における暗黒物質の分布を分析することができます。したがって、重力レンズ効果は宇宙の暗黒物質を発見するための探査機となります。

2007年1月、欧米の科学者らは初めて、局所宇宙における暗黒物質の分布を示す3次元地図を公開した。この三次元地図は重力レンズ効果を利用して作成されました。この写真は、ハッブル望遠鏡が1,000時間かけて撮影した575枚の写真を分析し、重力レンズ効果によって歪んだ50万個の銀河を特定し、暗黒物質のこの3次元画像を作成した70人の天文学者の知恵の成果です。

この暗黒物質分布の3次元地図は、中国の2つの科学アカデミーの学者によって選ばれた2007年の世界トップ10の科学技術成果の1つに挙げられました。この写真は、ろくぶんぎ座の空の 2.2°^2 の領域をカバーしており、これは満月 9 個分の領域に相当します。距離は30億光年、50億光年、65億光年の3つのレベルに分かれています。

2006 年 8 月 21 日、アメリカの科学者たちは、ハッブル宇宙望遠鏡とチャンドラ宇宙望遠鏡が 2004 年に撮影した一連の合成画像を公開しました。これは、地球から 34 億光年離れた 1E0657-56 カリーナにある「弾丸銀河団」の合成画像で、2 つの大きな銀河団の衝突と合体によって形成されました。

写真は、波長の異なる 3 つの望遠鏡の効果を示しています。赤い高温ガス、白と黄色の銀河、そして銀河団内の暗黒物質である青い領域があります。これらの暗黒物質の分布は、銀河団によって形成される重力レンズ効果の分析に基づいて描かれています。画像には、銀河団の衝突過程、暗黒物質と通常物質の分離過程、空間分布状態が鮮明に映し出されています。

2007 年 5 月 15 日、ハッブル望遠鏡は、直径 260 万光年の銀河団 CL0024+17 の暗黒物質リングの画像を公開しました。写真には多くの青い弧が写っていますが、これは重力レンズによって歪んだ遠方の銀河です。この写真は、2004 年 11 月にハッブル望遠鏡で 6 つの異なる波長フィルターを使用して 14 時間露光して撮影されました。

2007 年 8 月 16 日と 2008 年 8 月 27 日、ハッブル望遠鏡とチャンドラ望遠鏡は 2 枚の類似した写真を公開しました。1 枚は 24 億光年離れたオリオン座のエイベル 520 銀河団です。そして、59億光年離れたくじら座のMACS J0025.4-1222銀河団。これらはすべて、宇宙に暗黒物質が存在することを示す直接的な証拠です。

現在、科学界は暗黒物質と暗黒エネルギーを探索するための多くの方法を持っていますが、その中でも重力レンズ効果は常にかけがえのない役割を果たしてきました。重力レンズ効果は、ハッブル定数の測定や宇宙の年齢の決定などの科学的実践においても重要な役割を果たします。これらはすべてアインシュタインの時空曲率理論のフォローアップ結果であり、時空の曲率の反駁の余地のない証拠です。

これを読んでも、時空の曲率は存在しないとまだ思いますか?議論へようこそ。読んでいただきありがとうございます。

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