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(duì)星系來(lái)說(shuō),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(lái)自于它的暗物質(zhì)成分。而對(duì)于黑洞來(lái)說(shuō),由于根本不可能通過(guò)望遠(yuǎn)鏡直接進(jìn)行觀測(cè),因此唯一能指認(rèn)出這種極度扭曲時(shí)空的方法,就是通過(guò)對(duì)其引力效應(yīng)的觀察。

引力透鏡使我們可以測(cè)量星系中所有物質(zhì)的質(zhì)量,或通過(guò)尋找黑洞在其周圍時(shí)空中產(chǎn)生的印記來(lái)確定它的存在。每個(gè)透鏡都會(huì)制造出一份富有特性的簽名檔:這個(gè)由時(shí)空彎曲和凹陷定義的鏡頭,會(huì)使從遙遠(yuǎn)光源出發(fā)的光線發(fā)生偏移,并改變它們?cè)趥鹘y(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(shí)上完全可以用一個(gè)塑料加工的透鏡,來(lái)模擬一個(gè)簡(jiǎn)單的引力透鏡效應(yīng)?；蛘吣阋部梢酝高^(guò)一只(空的)高腳杯,來(lái)進(jìn)行一項(xiàng)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)。高腳杯彎曲的杯底可以用來(lái)模仿時(shí)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(guò)渡到另一種介質(zhì)時(shí)會(huì)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(zhǎng))。

由于光會(huì)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(huì)以不同的速度行進(jìn)——一般來(lái)講要比真空中的光速慢。這有點(diǎn)像一個(gè)明星在通過(guò)擁擠的房間時(shí),會(huì)在途中停下來(lái)和別人握手。這種相互作用會(huì)使光在材料中的運(yùn)行速度變慢,而變慢的效果將由材料的折射率來(lái)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(yùn)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(guò)一個(gè)玻璃棱鏡時(shí),由于每種顏色的光穿過(guò)玻璃的速度略有不同,它們相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)也會(huì)有差異,從而分散開來(lái)形成彩虹。