由于宇宙中大部分质量是隐形的,因此大多数引力透镜也是隐形的,或者包含着大量的隐形部分。对星系来说,它本质上就是一大团暗物质。虽然星系中心也聚集着一些可见的恒星,但引力透镜效应却几乎全部来自于它的暗物质成分。而对于黑洞来说,由于根本不可能通过望远镜直接进行观测,因此唯一能指认出这种极度扭曲时空的方法,就是通过对其引力效应的观察。

引力透镜使我们可以测量星系中所有物质的质量,或通过寻找黑洞在其周围时空中产生的印记来确定它的存在。每个透镜都会制造出一份富有特性的签名档:这个由时空弯曲和凹陷定义的镜头,会使从遥远光源出发的光线发生偏移,并改变它们在传统光学望远镜中所成的图像。然后,我们可以从这幅图像反推回去,并判断出产生该图像的引力透镜的大小和形状。

光线的偏转

引力透镜的几何基础和玻璃或塑料透镜的几何光学非常类似——事实上完全可以用一个塑料加工的透镜,来模拟一个简单的引力透镜效应。或者你也可以透过一只(空的)高脚杯,来进行一项简单的实验。高脚杯弯曲的杯底可以用来模仿时空曲线,因此你可以重复一些下面将要讨论到的效应。

当然,光学透镜与引力透镜的基本物理原理是完全不同的。在光学透镜中,当光线从一种介质过渡到另一种介质时会发生偏转(比如,从空气进入玻璃)。光线偏转的方向,将取决于两种介质间界面的曲率,以及光线在不同介质中的速度(折射率)。光学透镜中的偏转程度还依赖于光的颜色(即波长)。

由于光会和透镜原子中的电子发生相互作用,因此在不同的材料里会以不同的速度行进——一般来讲要比真空中的光速慢。这有点像一个明星在通过拥挤的房间时,会在途中停下来和别人握手。这种相互作用会使光在材料中的运行速度变慢,而变慢的效果将由材料的折射率来描述——折射率越高,光速就越慢。折射率还取决于光的颜色。例如在玻璃中,蓝光就比红光的运行速度要慢。而光速越慢,它偏转的角度就越大。因此,当一束包含所有颜色的白光穿过一个玻璃棱镜时,由于每种颜色的光穿过玻璃的速度略有不同,它们相应的偏转也会有差异,从而分散开来形成彩虹。