根据阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论（1915年），引力并非经典意义上的力，而是由物体质量引起的时空扭曲。这种曲率会影响光的路径：当光线经过大质量物体（如星系或星系团）附近时，会发生偏折，类似于光学透镜。这一现象被称为引力透镜，于1919年日食期间首次得到证实，从而验证了爱因斯坦的理论。
| 镜头类型 | 描述 | 观察示例 | 典型视觉效果 |
|---|---|---|---|
| 强透镜 | 极端光扭曲，伴随近乎完美的源-透镜-观测者对齐。揭示物质（可见与暗物质）的精细结构。 | 星系团CL0024+1654（哈勃望远镜，2004年）；爱因斯坦十字（类星体Q2237+0305）。 | 完整/部分爱因斯坦环、巨弧（>10°）、多重像（最多5个）。 |
| 弱透镜 | 通过统计分析背景星系微妙的扭曲，来绘制大尺度上的暗物质分布图。 | 暗能量巡天（DES）；普朗克卫星数据（宇宙微波背景）。 | 星系被拉伸成椭圆状，呈现优先排列（“宇宙剪切”），弱放大效应（×1.1–×2）。 |
| 微透镜 | 恒星天体（如恒星、黑洞）引起的临时效应（持续数小时至数月）。无可见扭曲，仅存在放大效应。 | OGLE和MOA项目；发现系外行星如OGLE-2005-BLG-390Lb。 | 对称光变曲线，亮度峰值（×2–×100），无分辨的多重像。 |
注：引力透镜是研究不可见宇宙的重要工具。 • 暗物质：其效应揭示星系团中暗物质质量是可见物质的5至10倍。 • 暗能量：大尺度畸变（弱透镜）有助于测量宇宙膨胀的加速度。 • 早期星系：放大效应使观测到比当前望远镜极限暗10至100倍的天体成为可能。
特殊情况：爱因斯坦环当光源（恒星或星系）、大质量天体（透镜）和观测者完美对齐时，光线会发生对称偏折，在透镜周围形成一个发光环。这个环是时空弯曲几何的直接体现。
引力透镜揭示了暗物质的存在，而暗物质是传统望远镜无法观测到的。通过比较星系团的可见质量（星系、气体）与根据光线扭曲推算出的总质量，天文学家估计宇宙中约85%的物质性质未知。例如：子弹星系团（1E 0657-56）通过其引力透镜效应为暗物质提供了直接证据。
透镜如同天然的放大镜，能将来自遥远天体的光线放大（最高可达50倍）。这使得我们能够观测到在大爆炸后仅5亿年形成的年轻星系，例如2016年发现的GN-z11。
通过分析同一目标（如类星体）多幅图像之间的时间延迟，科学家可以计算宇宙的膨胀速率（哈勃常数）。例如：类星体RX J1131-1231为独立测量\( H_0 \)提供了依据。
尽管引力透镜效应强大，但也存在挑战：
未来的仪器，例如爱因斯坦望远镜（计划于2035年），将彻底改变这一领域。
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