Οι περισσότεροι άνθρωποι είναι εξοικειωμένοι με τα εργαλεία της αστρονομίας: τηλεσκόπια, εξειδικευμένα όργανα και βάσεις δεδομένων. Οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν αυτά, καθώς και μερικές ειδικές τεχνικές για να παρατηρούν μακρινά αντικείμενα. Μία από αυτές τις τεχνικές ονομάζεται "βαρυτικός φακός".
Αυτή η μέθοδος βασίζεται απλώς στην περίεργη συμπεριφορά του φωτός καθώς περνάει κοντά σε μαζικά αντικείμενα. Η βαρύτητα αυτών των περιοχών, που συνήθως περιέχουν γιγάντιους γαλαξίες ή συστάδες γαλαξιών, μεγεθύνει το φως από πολύ απομακρυσμένα αστέρια, γαλαξίες και κβάζαρ. Οι παρατηρήσεις με τη χρήση βαρυτικών φακών βοηθούν τους αστρονόμους να διερευνήσουν αντικείμενα που υπήρχαν στις πολύ πρώτες εποχές του σύμπαντος. Επίσης αποκαλύπτουν την ύπαρξη πλανητών γύρω από τα μακρινά αστέρια. Με τρόπο ασυνήθιστο, αποκαλύπτουν επίσης τη διανομή του σκοτεινή ύλη που διαπερνά το σύμπαν.
Η ιδέα πίσω από το βαρυτικό φακό είναι απλή: όλα στο σύμπαν έχουν μάζα και ότι η μάζα έχει βαρυτική έλξη. Αν ένα αντικείμενο είναι αρκετά μαζικό, η ισχυρή βαρυτική του έλξη θα κάμψει το φως καθώς περνά. Ένα πεδίο βαρύτητας ενός πολύ ογκώδους αντικειμένου, όπως ένας πλανήτης, ένας αστέρας ή ένας γαλαξίας ή ένα σύμπλεγμα γαλαξιών ή ακόμα και μια μαύρη τρύπα, τραβάει πιο έντονα σε αντικείμενα σε κοντινό χώρο. Για παράδειγμα, όταν οι ακτίνες φωτός από ένα πιο μακρινό αντικείμενο περνούν, παγιδεύονται στο βαρυτικό πεδίο, κάμπτονται και επαναπροσδιορίζονται. Η επαναπροσδιορισμένη "εικόνα" είναι συνήθως μια παραμορφωμένη άποψη των πιο απομακρυσμένων αντικειμένων. Σε μερικές ακραίες περιπτώσεις, ολόκληροι γαλαξίες στον υπόβαθρο (για παράδειγμα) μπορεί να καταλήξουν να παραμορφωθούν σε μακρά, κοκαλιάρικα, σαν μπανάνα σχήματα μέσω της δράσης του βαρυτικού φακού.
Η ιδέα του βαρυτικού φακού προτάθηκε για πρώτη φορά στο Θεωρία του Αϊνστάιν της Γενικής Σχετικότητας. Γύρω στο 1912, ο ίδιος ο Αϊνστάιν πήρε τα μαθηματικά για το πώς το φως αποκλίνει καθώς διέρχεται από το βαρυτικό πεδίο του Ήλιου. Η ιδέα του στη συνέχεια δοκιμάστηκε κατά τη διάρκεια μιας ολικής έκλειψης του Ήλιου το Μάιο του 1919 από τους αστρονόμους Arthur Eddington, Frank Dyson και μια ομάδα παρατηρητών που σταθμεύουν σε πόλεις της Νότιας Αμερικής και της Νότιας Αμερικής Βραζιλία. Οι παρατηρήσεις τους απέδειξαν ότι υπήρχε βαρυτικός φακός. Ενώ η βαρυτική κάλυψη έχει υπάρξει σε όλη την ιστορία, είναι αρκετά ασφαλές να πούμε ότι ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά στις αρχές της δεκαετίας του 1900. Σήμερα, χρησιμοποιείται για τη μελέτη πολλών φαινομένων και αντικειμένων στο μακρινό σύμπαν. Τα αστέρια και οι πλανήτες μπορούν να προκαλέσουν φαινόμενα βαρύτητας, αν και είναι δύσκολο να εντοπιστούν. Τα βαρυτικά πεδία των γαλαξιών και των συστάδων των γαλαξιών μπορούν να παράγουν πιο αξιοσημείωτα αποτελέσματα φακού. Και, τώρα αποδεικνύεται ότι η σκοτεινή ύλη (η οποία έχει βαρυτική επίδραση) προκαλεί επίσης φακούς.
Τώρα που οι αστρονόμοι μπορούν να παρατηρήσουν φακούς σε όλο το σύμπαν, έχουν χωρίσει τέτοια φαινόμενα σε δύο τύπους: ισχυρός φακούς και αδύναμο φακό. Οι ισχυροί φακοί είναι αρκετά εύκολο να γίνουν κατανοητοί - αν μπορεί κανείς να δει με το ανθρώπινο μάτι σε μια εικόνα (ας πούμε, από Διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble), τότε είναι ισχυρή. Ο αδύναμος φακός, από την άλλη πλευρά, δεν είναι ανιχνεύσιμος με γυμνό μάτι. Οι αστρονόμοι πρέπει να χρησιμοποιούν ειδικές τεχνικές για να παρατηρούν και να αναλύουν τη διαδικασία.
Λόγω της ύπαρξης σκοτεινής ύλης, όλοι οι μακρινοί γαλαξίες είναι ένα μικροσκοπικό κομμάτι αδύναμο. Οι αδύναμοι φακοί χρησιμοποιούνται για να ανιχνεύσουν την ποσότητα της σκοτεινής ύλης σε μια δεδομένη κατεύθυνση στο διάστημα. Είναι ένα απίστευτα χρήσιμο εργαλείο για τους αστρονόμους, βοηθώντας τους να κατανοήσουν τη διανομή της σκοτεινής ύλης στον Κόσμο. Οι ισχυροί φακοί επίσης τους επιτρέπουν να βλέπουν μακρινούς γαλαξίες όπως ήταν στο μακρινό παρελθόν, γεγονός που τους δίνει μια καλή εικόνα για τις συνθήκες που ήταν πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. Επίσης, μεγεθύνει το φως από πολύ απομακρυσμένα αντικείμενα, όπως τους πρώτους γαλαξίες, και συχνά δίνει στους αστρονόμους μια ιδέα για τη δραστηριότητα των γαλαξιών πίσω στη νεολαία τους.
Ένας άλλος τύπος φακού που ονομάζεται "microlensing" συνήθως προκαλείται από ένα αστέρι που διέρχεται μπροστά από ένα άλλο ή από ένα πιο απομακρυσμένο αντικείμενο. Το σχήμα του αντικειμένου μπορεί να μην είναι παραμορφωμένο, όπως συμβαίνει με το ισχυρότερο φακό, αλλά η ένταση του φωτός κυματίζει. Αυτό λέει στους αστρονόμους ότι πιθανότατα εμπλέκετο η μικροσκοπία. Είναι ενδιαφέρον ότι οι πλανήτες μπορούν επίσης να συμμετέχουν στη μικροσκοπία καθώς περνούν μεταξύ μας και των αστεριών τους.
Ο βαρυτικός φακός εμφανίζεται σε όλα τα μήκη κύματος του φωτός, από το ραδιόφωνο και τον υπέρυθρο έως τον ορατό και υπεριώδη, που έχει νόημα, δεδομένου ότι όλα είναι μέρος του φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που λυγίζει το σύμπαν.
Ο πρώτος βαρυτικός φακός (εκτός από το πείραμα φακών έκλειψης του 1919) ανακαλύφθηκε το 1979 όταν οι αστρονόμοι εξέτασαν κάτι που ονομάστηκε "Twin QSO". Το QSO είναι συντομογραφία για "οιονεί αστρικό αντικείμενο" ή quasar. Αρχικά, αυτοί οι αστρονόμοι πίστευαν ότι αυτό το αντικείμενο μπορεί να είναι ένα ζευγάρι δίδυμων κβάζων. Μετά από προσεκτικές παρατηρήσεις χρησιμοποιώντας το Εθνικό Παρατηρητήριο Kitt Peak στην Αριζόνα, οι αστρονόμοι κατάφεραν να καταλάβουν ότι δεν υπήρχαν δύο όμοια κβάζαρ (μακρινά πολύ δραστήριους γαλαξίες) κοντά στο άλλο στο διάστημα. Αντίθετα, ήταν στην πραγματικότητα δύο εικόνες ενός πιο μακρινού κβάζαρ που παρήχθησαν καθώς το φως του κβάζαρ πέρασε κοντά σε μια πολύ μαζική βαρύτητα κατά μήκος του μονοπατιού του φωτός. Η παρατήρηση αυτή έγινε σε οπτικό φως (ορατό φως) και στη συνέχεια επιβεβαιώθηκε με ραδιοφωνικές παρατηρήσεις χρησιμοποιώντας το Πολύ μεγάλη διάταξη στο Νέο Μεξικό.
Από τότε, έχουν ανακαλυφθεί πολλά αντικείμενα με βαρυτική δράση. Τα πιο διάσημα είναι τα δακτυλίδια του Αϊνστάιν, τα οποία είναι αντικείμενα με φακό, του οποίου το φως κάνει ένα "δαχτυλίδι" γύρω από το αντικείμενο φακών. Στην τυχαία περίσταση, όταν η μακρινή πηγή, το αντικείμενο φακοειδούς και τα τηλεσκόπια στη Γη όλα κατανεμηθούν, οι αστρονόμοι μπορούν να δουν ένα δαχτυλίδι φωτός. Αυτά ονομάζονται "δακτύλιοι του Αϊνστάιν", που ονομάστηκαν, φυσικά, για τον επιστήμονα του οποίου το έργο πρόβλεψε το φαινόμενο της βαρυτικής φθοράς.
Ένα άλλο διάσημο φακοειδές αντικείμενο είναι ένα κβάζαρ που ονομάζεται Q2237 + 030 ή ο Σταυρός Αϊνστάιν. Όταν το φως ενός κβάζαρ περίπου 8 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη πέρασε από έναν επιμήκη σχήματος γαλαξία, δημιούργησε αυτό το περίεργο σχήμα. Εμφανίστηκαν τέσσερις εικόνες του κβάζαρ (μια πέμπτη εικόνα στο κέντρο δεν είναι ορατή με το μάτι με τη βοήθεια όρασης), δημιουργώντας ένα σχήμα διαμαντιού ή σταυρού. Ο γαλαξίας των φακών είναι πολύ πιο κοντά στη Γη από το κβάζαρ, σε απόσταση περίπου 400 εκατομμυρίων ετών φωτός. Αυτό το αντικείμενο έχει παρατηρηθεί αρκετές φορές από το Διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble.
Σε κλίμακα κοσμικών αποστάσεων, Διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble συλλαμβάνει συστηματικά άλλες εικόνες βαρυτικών φακών. Σε πολλές από τις απόψεις του, οι μακρινοί γαλαξίες μοιάζουν με τόξα. Οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν αυτά τα σχήματα για να καθορίσουν την κατανομή της μάζας στα συσσωματώματα γαλαξιών που κάνουν το φακό ή για να καταλάβουν τη διανομή της σκοτεινής ύλης. Ενώ αυτοί οι γαλαξίες είναι γενικά πολύ εξασθενημένοι για να το δουν εύκολα, οι βαρυτικές επιφάνειες τις καθιστούν ορατές, μεταδίδοντας πληροφορίες για δισεκατομμύρια έτη φωτός για τους αστρονόμους να μελετήσουν.
Οι αστρονόμοι συνεχίζουν να μελετούν τις επιπτώσεις του φακού, ειδικά όταν εμπλέκονται μαύρες τρύπες. Η έντονη βαρύτητά τους επίσης φακοί φακούς, όπως φαίνεται σε αυτή την προσομοίωση χρησιμοποιώντας μια εικόνα HST του ουρανού για να αποδείξει.