由于宇宙中大部分質(zhì)量是隱形的,因此大多數(shù)引力透鏡也是隱形的,或者包含著大量的隱形部分。對星系來說,它本質(zhì)上就是一大團(tuán)暗物質(zhì)。雖然星系中心也聚集著一些可見的恒星,但引力透鏡效應(yīng)卻幾乎全部來自于它的暗物質(zhì)成分。而對于黑洞來說,由于根本不可能通過望遠(yuǎn)鏡直接進(jìn)行觀測,因此唯一能指認(rèn)出這種極度扭曲時空的方法,就是通過對其引力效應(yīng)的觀察。

引力透鏡使我們可以測量星系中所有物質(zhì)的質(zhì)量,或通過尋找黑洞在其周圍時空中產(chǎn)生的印記來確定它的存在。每個透鏡都會制造出一份富有特性的簽名檔:這個由時空彎曲和凹陷定義的鏡頭,會使從遙遠(yuǎn)光源出發(fā)的光線發(fā)生偏移,并改變它們在傳統(tǒng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中所成的圖像。然后,我們可以從這幅圖像反推回去,并判斷出產(chǎn)生該圖像的引力透鏡的大小和形狀。

光線的偏轉(zhuǎn)

引力透鏡的幾何基礎(chǔ)和玻璃或塑料透鏡的幾何光學(xué)非常類似——事實上完全可以用一個塑料加工的透鏡,來模擬一個簡單的引力透鏡效應(yīng)。或者你也可以透過一只(空的)高腳杯,來進(jìn)行一項簡單的實驗。高腳杯彎曲的杯底可以用來模仿時空曲線,因此你可以重復(fù)一些下面將要討論到的效應(yīng)。

當(dāng)然,光學(xué)透鏡與引力透鏡的基本物理原理是完全不同的。在光學(xué)透鏡中,當(dāng)光線從一種介質(zhì)過渡到另一種介質(zhì)時會發(fā)生偏轉(zhuǎn)(比如,從空氣進(jìn)入玻璃)。光線偏轉(zhuǎn)的方向,將取決于兩種介質(zhì)間界面的曲率,以及光線在不同介質(zhì)中的速度(折射率)。光學(xué)透鏡中的偏轉(zhuǎn)程度還依賴于光的顏色(即波長)。

由于光會和透鏡原子中的電子發(fā)生相互作用,因此在不同的材料里會以不同的速度行進(jìn)——一般來講要比真空中的光速慢。這有點像一個明星在通過擁擠的房間時,會在途中停下來和別人握手。這種相互作用會使光在材料中的運行速度變慢,而變慢的效果將由材料的折射率來描述——折射率越高,光速就越慢。折射率還取決于光的顏色。例如在玻璃中,藍(lán)光就比紅光的運行速度要慢。而光速越慢,它偏轉(zhuǎn)的角度就越大。因此,當(dāng)一束包含所有顏色的白光穿過一個玻璃棱鏡時,由于每種顏色的光穿過玻璃的速度略有不同,它們相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)也會有差異,從而分散開來形成彩虹。