Majoritatea oamenilor sunt familiarizați cu instrumentele astronomiei: telescoape, instrumente specializate și baze de date. Astronomii le folosesc, plus câteva tehnici speciale pentru a observa obiecte îndepărtate. Una dintre aceste tehnici se numește „lentile gravitaționale”.
Această metodă se bazează pur și simplu pe comportamentul particular al luminii pe măsură ce trece lângă obiecte masive. Gravitatea acestor regiuni, care conține de obicei galaxii uriașe sau ciorchini de galaxii, mărește lumina de la stele, galaxii și quasari foarte îndepărtați. Observațiile care folosesc lentile gravitaționale îi ajută pe astronomi să exploreze obiecte care au existat în primele epoci ale universului. Ele dezvăluie și existența planetelor în jurul stelelor îndepărtate. Într-un mod ciudat, ei dezvăluie și distribuția materie întunecată care pătrunde în univers.
Conceptul din spatele lentilelor gravitaționale este simplu: tot ce există în univers are masă iar această masă are o atracție gravitațională. Dacă un obiect este suficient de masiv, atracția sa gravitațională puternică va îndoi lumina pe măsură ce trece. Un câmp gravitațional al unui obiect foarte masiv, cum ar fi o planetă, o stea sau o galaxie, sau un grup de galaxii, sau chiar o gaură neagră, atrage mai puternic obiectele din spațiul din apropiere. De exemplu, când razele de lumină dintr-un obiect mai îndepărtat trec, acestea sunt prinse în câmpul gravitațional, sunt îndoite și refocalizate. „Imaginea” refocalizată este de obicei o vedere distorsionată a obiectelor mai îndepărtate. În unele cazuri extreme, galaxii întregi de fond (de exemplu) pot ajunge să fie denaturate în forme lungi, subțiri, de tip banan, prin acțiunea lentilei gravitaționale.
Ideea lentilei gravitaționale a fost sugerată pentru prima dată în Teoria relativității generale a lui Einstein. În jurul anului 1912, Einstein însuși a derivat matematica pentru modul în care lumina este deviată pe măsură ce trece prin câmpul gravitațional al Soarelui. Ideea lui a fost testată ulterior în timpul unei eclipse totale de Soare în mai 1919 de către astronomi Arthur Eddington, Frank Dyson și o echipă de observatori staționați în orașe din America de Sud și Brazilia. Observațiile lor au dovedit că există lentile gravitaționale. Deși obiectivul gravitațional a existat de-a lungul istoriei, este destul de sigur să spunem că a fost descoperit pentru prima dată la începutul anilor 1900. Astăzi, este folosit pentru a studia multe fenomene și obiecte din universul îndepărtat. Stelele și planetele pot provoca efecte de lentila gravitațională, deși acestea sunt greu de detectat. Câmpurile gravitaționale ale galaxiilor și grupurilor de galaxii pot produce efecte de lentilare mai vizibile. Și, acum, se dovedește că materia întunecată (care are un efect gravitațional) provoacă, de asemenea, lentile.
Acum, că astronomii pot observa lentilele din univers, au împărțit astfel de fenomene în două tipuri: puternic lentile și lentile slabe. Lentilarea puternică este destul de ușor de înțeles - dacă poate fi văzută cu ochiul uman într-o imagine (spune, din Telescopul spațial Hubble), atunci este puternic. În schimb, obiectivul slab nu este detectabil cu ochiul liber. Astronomii trebuie să folosească tehnici speciale pentru a observa și analiza procesul.
Datorită existenței materiei întunecate, toate galaxiile îndepărtate sunt un pic minusculate. Lentilarea slabă este utilizată pentru a detecta cantitatea de materie întunecată într-o direcție dată în spațiu. Este un instrument incredibil de util pentru astronomi, ajutându-i să înțeleagă distribuția materiei întunecate în cosmos. Lentilarea puternică le permite, de asemenea, să vadă galaxii îndepărtate așa cum erau în trecutul îndepărtat, ceea ce le oferă o idee bună despre ce condiții erau ca miliarde de ani în urmă. De asemenea, mărește lumina de la obiecte foarte îndepărtate, cum ar fi cele mai timpurii galaxii și adesea le oferă astronomilor o idee despre activitatea galaxiilor încă din tinerețe.
Un alt tip de obiectiv numit "microlensing" este de obicei cauzat de o stea care trece în fața alteia sau împotriva unui obiect mai îndepărtat. Forma obiectului poate să nu fie distorsionată, întrucât este cu lentile mai puternice, dar intensitatea luminii se oprește. Asta le spune astronomilor că microlensingul a fost probabil implicat. Interesant este că planetele pot fi, de asemenea, implicate în microlenșare pe măsură ce trec între noi și stelele lor.
Lentilele gravitaționale apar la toate lungimile de undă ale luminii, de la radio și infraroșu la vizibile și ultraviolete, ceea ce are sens, deoarece toate fac parte din spectrul radiațiilor electromagnetice care scaldă univers.
Prima lentilă gravitațională (alta decât experimentul de detectare a eclipsei din 1919) a fost descoperită în 1979 când astronomii s-au uitat la ceva supranumit „Twin QSO”. QSO este shorthand pentru „obiect cvasi-stelar” sau QUASAR. Inițial, acești astronomi au crezut că acest obiect ar putea fi o pereche de gemeni quasari. După observații atente care au folosit Observatorul Național Kitt Peak din Arizona, astronomii au reușit să-și dea seama că nu existau două cvasi identici (distanța galaxii foarte active) unul lângă celălalt în spațiu. În schimb, ele erau de fapt două imagini ale unui quasar mai îndepărtat, care erau produse pe măsură ce lumina cvasarului trecea pe lângă o gravitate foarte masivă de-a lungul căii de călătorie a luminii. Această observație a fost făcută cu lumină optică (lumină vizibilă) și a fost confirmată ulterior cu observații radio folosind Array foarte mare în New Mexico.
De atunci, au fost descoperite multe obiecte gravitate grav. Cele mai cunoscute sunt inelele Einstein, care sunt obiecte lentilate a căror lumină face un "inel" în jurul obiectului de lentilare. Cu ocazia ocaziei când sursa îndepărtată, obiectul de lentilare și telescoapele de pe Pământ se aliniază, astronomii sunt capabili să vadă un inel de lumină. Acestea sunt numite „inele Einstein”, numite, desigur, pentru omul de știință a cărui lucrare a prezis fenomenul lentilelor gravitaționale.
Un alt obiect celebru cu lentile este un quasar numit Q2237 + 030, sau Crucea Einstein. Când lumina unui quasar, la vreo 8 miliarde de ani-lumină de pe Pământ, a trecut printr-o galaxie în formă oblongă, a creat această formă ciudată. Au apărut patru imagini ale quasarului (o a cincea imagine în centru nu este vizibilă pentru ochiul neajuns), creând un diamant sau o formă în formă de cruce. Galaxia cu lentile este mult mai aproape de Pământ decât de quasar, la o distanță de aproximativ 400 de milioane de ani-lumină. Acest obiect a fost observat de mai multe ori de către Telescopul spațial Hubble.
Pe o scară de distanță cosmică, Telescopul spațial Hubble surprinde regulat alte imagini cu lentile gravitaționale. În multe dintre viziunile sale, galaxiile îndepărtate sunt distruse în arcuri. Astronomii folosesc acele forme pentru a determina distribuția masei în grupele de galaxie care fac obiectivul sau pentru a-și da seama de distribuția materiei întunecate. În timp ce acele galaxii sunt în general prea slabe pentru a fi văzute cu ușurință, lentilele gravitaționale le fac vizibile, transmitând informații de-a lungul a miliarde de ani-lumină pentru ca astronomii să studieze.
Astronomii continuă să studieze efectele lentilelor, în special atunci când sunt implicate găuri negre. Gravitatea lor intensă, de asemenea, lentile, așa cum se arată în această simulare, folosind o imagine HST a cerului pentru a demonstra.