De meeste mensen kennen de instrumenten van de astronomie: telescopen, gespecialiseerde instrumenten en databases. Astronomen gebruiken die, plus enkele speciale technieken om verre objecten te observeren. Een van die technieken wordt 'gravitationele lensing' genoemd.
Deze methode vertrouwt eenvoudig op het eigenaardige gedrag van licht wanneer het langs massieve objecten gaat. De zwaartekracht van die gebieden, die meestal reuzenstelsels of clusters van sterrenstelsels bevatten, vergroot het licht van zeer verre sterren, sterrenstelsels en quasars. Waarnemingen met behulp van zwaartekrachtlens helpen astronomen objecten te onderzoeken die in de allereerste tijdperken van het universum bestonden. Ze onthullen ook het bestaan van planeten rond verre sterren. Op een griezelige manier onthullen ze ook de distributie van donkere materie die het universum doordringt.
Het concept achter zwaartekrachtlenzen is eenvoudig: alles in het universum heeft massa en die massa heeft een zwaartekracht. Als een object massief genoeg is, zal zijn sterke zwaartekracht het licht buigen als het voorbij komt. Een zwaartekrachtsveld van een zeer massief object, zoals een planeet, ster of sterrenstelsel, of cluster van sterrenstelsels, of zelfs een zwart gat, trekt sterker naar objecten in de nabije ruimte. Wanneer bijvoorbeeld lichtstralen van een verder verwijderd object voorbijgaan, worden ze gevangen in het zwaartekrachtveld, gebogen en opnieuw scherpgesteld. Het opnieuw gefocuste "beeld" is meestal een vervormd beeld van de verder weg gelegen objecten. In sommige extreme gevallen kunnen hele achtergrondstelsels (bijvoorbeeld) door de werking van de zwaartekrachtlens vervormd raken in lange, magere, banaanachtige vormen.
Het idee van zwaartekrachtlensing werd voor het eerst geopperd in Einstein's Theory of General Relativity. Rond 1912 heeft Einstein zelf de wiskunde afgeleid voor hoe licht wordt afgebogen terwijl het door het zwaartekrachtveld van de zon gaat. Zijn idee werd vervolgens getest tijdens een totale zonsverduistering in mei 1919 door astronomen Arthur Eddington, Frank Dyson en een team van waarnemers gestationeerd in steden in heel Zuid-Amerika en Brazilië. Hun waarnemingen toonden aan dat er zwaartekrachtlens bestond. Hoewel gravitationele lensing door de geschiedenis heen heeft bestaan, is het redelijk veilig om te zeggen dat het voor het eerst werd ontdekt in de vroege jaren 1900. Tegenwoordig wordt het gebruikt om veel verschijnselen en objecten in het verre universum te bestuderen. Sterren en planeten kunnen zwaartekrachtlenseffecten veroorzaken, hoewel die moeilijk te detecteren zijn. De zwaartekrachtvelden van sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels kunnen meer merkbare lenseffecten veroorzaken. En nu blijkt dat donkere materie (die een zwaartekrachtseffect heeft) ook lensvorming veroorzaakt.
Nu astronomen lenzen in het hele universum kunnen observeren, hebben ze dergelijke verschijnselen in twee soorten verdeeld: sterk lensing en zwakke lensing. Sterke lensvorming is vrij gemakkelijk te begrijpen - als het met het menselijk oog in een afbeelding kan worden gezien (zeg, van Hubble-ruimtetelescoop), dan is het sterk. Zwakke lensing is daarentegen niet met het blote oog waar te nemen. Astronomen moeten speciale technieken gebruiken om het proces te observeren en te analyseren.
Vanwege het bestaan van donkere materie zijn alle verre melkwegstelsels een klein beetje zwak lensvormig. Zwakke lensing wordt gebruikt om de hoeveelheid donkere materie in een bepaalde richting in de ruimte te detecteren. Het is een ongelooflijk handig hulpmiddel voor astronomen en helpt hen de verspreiding van donkere materie in de kosmos te begrijpen. Sterke lensvorming stelt hen ook in staat om verre melkwegstelsels te zien zoals ze in het verre verleden waren, wat hen een goed idee geeft van hoe de omstandigheden er miljarden jaren geleden uitzagen. Het vergroot ook het licht van zeer verre objecten, zoals de vroegste sterrenstelsels, en geeft astronomen vaak een idee van de activiteit van de sterrenstelsels in hun jeugd.
Een ander type lensvorming genaamd "microlensing" wordt meestal veroorzaakt door een ster die voor een andere passeert, of tegen een verder weg gelegen object. De vorm van het object mag niet worden vervormd, zoals bij sterkere lenzen, maar de intensiteit van de lichtgolven. Dat vertelt astronomen dat het waarschijnlijk om microlensing ging. Interessant is dat planeten ook betrokken kunnen zijn bij microlensing wanneer ze tussen ons en hun sterren passeren.
Zwaartekrachtlensing vindt plaats op alle golflengten van licht, van radio en infrarood tot zichtbaar en ultraviolet, wat logisch is, omdat ze allemaal deel uitmaken van het spectrum van elektromagnetische straling dat de universum.
De eerste zwaartekrachtlens (anders dan het 1919-eclipslensexperiment) werd ontdekt in 1979 toen astronomen keken naar iets dat de "Twin QSO" wordt genoemd. QSO is een afkorting voor "quasi-stellar object" of quasar. Oorspronkelijk dachten deze astronomen dat dit object een quasartweeling zou kunnen zijn. Na zorgvuldige waarnemingen met behulp van het Kitt Peak National Observatory in Arizona, konden astronomen erachter komen dat er niet twee identieke quasars waren (verre zeer actieve sterrenstelsels) bij elkaar in de ruimte. In plaats daarvan waren het eigenlijk twee beelden van een quasar die verder weg stond en die werd geproduceerd toen het licht van de quasar langs een zeer massieve zwaartekracht langs het reispad van het licht kwam. Die waarneming werd gedaan in optisch licht (zichtbaar licht) en werd later bevestigd met radiowaarnemingen met behulp van de Zeer grote array in New Mexico.
Sinds die tijd zijn er veel objecten met zwaartekrachtlens ontdekt. De meest bekende zijn Einstein-ringen, dit zijn lensobjecten waarvan het licht een "ring" maakt rond het lensobject. Bij de kans dat de verre bron, het lensobject en telescopen op aarde allemaal op één lijn staan, kunnen astronomen een lichtring zien. Deze worden 'Einstein-ringen' genoemd, natuurlijk genoemd naar de wetenschapper wiens werk het fenomeen zwaartekrachtlens voorspelde.
Een ander beroemd objectief met lens is een quasar genaamd Q2237 + 030, of het Einstein-kruis. Toen het licht van een quasar zo'n 8 miljard lichtjaar van de aarde door een langwerpig sterrenstelsel ging, creëerde het deze vreemde vorm. Er verschenen vier afbeeldingen van de quasar (een vijfde afbeelding in het midden is niet zichtbaar voor het blote oog), waardoor een ruitvormige of kruisvormige vorm ontstond. Het lensstelsel is veel dichter bij de aarde dan de quasar, op een afstand van ongeveer 400 miljoen lichtjaar. Dit object is door de Hubble-ruimtetelescoop.
Op een kosmische afstandsschaal, Hubble-ruimtetelescoop legt regelmatig andere beelden van zwaartekrachtlensing vast. In veel van zijn opvattingen worden verre sterrenstelsels in bogen gesmeerd. Astronomen gebruiken die vormen om de massaverdeling in de melkwegclusters te bepalen die de lensing uitvoeren of om hun verdeling van donkere materie te achterhalen. Hoewel die sterrenstelsels over het algemeen te zwak zijn om gemakkelijk te kunnen worden gezien, maakt gravitationele lensvorming ze zichtbaar en verzenden ze informatie over miljarden lichtjaren die astronomen kunnen bestuderen.
Astronomen blijven de effecten van lenzen bestuderen, vooral als het om zwarte gaten gaat. Hun intense zwaartekracht lens ook licht, zoals getoond in deze simulatie met een HST-afbeelding van de hemel om te demonstreren.