강한 중력렌즈 효과(Strong gravitational lensing)는 중력렌즈 효과의 한 유형으로, 앞쪽에 위치한 거대 천체(렌즈 역할을 하는 천체)의 중력장이 충분히 강력하여 뒤쪽 배경 천체(광원)의 상(像)이 여러 개로 나뉘거나, 호(弧) 모양 또는 고리 모양으로 왜곡되어 관측되는 현상을 말한다. 이는 일반 상대성이론에 의해 예측된 현상으로, 빛이 중력장에 의해 휘어지는 효과가 극대화되어 나타난다.
강한 중력렌즈 효과가 발생하려면 렌즈 역할을 하는 천체의 투영 질량 밀도(projected mass density)가 임계 밀도(critical density, Σ_cr)보다 커야 한다. 배경 광원이 점광원(퀘이사 등)일 경우 다중 상(multiple images)이 형성되고, 면적을 가진 확장 광원(은하 등)일 경우 호(arc)나 아인슈타인 고리(Einstein ring) 형태로 나타난다. 상의 개수는 홀수 정리(odd number theorem)를 따른다.
이 효과는 알베르트 아인슈타인이 1936년 《Science》지에 발표한 논문 "Lens-Like Action of a Star by the Deviation of Light in the Gravitational Field"에서 처음 이론적으로 제시되었다. 실제 관측으로는 1979년 데니스 왈시(Dennis Walsh), 밥 칼스웰(Bob Carswell), 레이 웨이먼(Ray Weymann)이 쌍둥이 퀘이사(Twin Quasar) Q0957+561을 통해 처음 확인되었다. 이 천체는 본래 하나의 퀘이사가 중력렌즈 효과로 인해 두 개의 상으로 관측된 것임이 밝혀졌다.
강한 중력렌즈 효과는 주로 두 가지 규모에서 관측된다. 첫째는 은하 중력렌즈(galaxy lensing)로, 앞쪽 은하가 렌즈 역할을 하여 뒤쪽 퀘이사나 은하의 다중 상 또는 호를 만드는 경우이다. 2017년 기준 수백 건 이상이 관측되었으며, 향후 LSST와 유클리드(Euclid) 망원경을 통해 10만 개 이상의 새로운 사례가 발견될 것으로 기대된다. 둘째는 은하단 중력렌즈(cluster lensing)로, 은하단이 렌즈 역할을 하여 강한 중력렌즈 효과(다중 상, 호)와 약한 중력렌즈 효과(미세한 형태 왜곡)가 함께 나타난다. 대표적인 예로 GAL-CLUS-022058s, 일명 '녹은 고리(Molten Ring)'가 있다.
천체물리학적 활용으로는 첫째, 렌즈 천체의 질량 측정에 이용된다. 중력렌즈 효과는 중력 퍼텐셜의 영향만 받으므로, 관측된 상의 형태를 컴퓨터 시뮬레이션으로 재현하여 렌즈 천체의 질량 분포, 특히 암흑물질 헤일로(dark matter halo) 연구에 활용된다. 둘째, 시간 지연(time delay) 현상을 이용하여 허블 상수(Hubble constant) 등 우주론적 상수를 측정하는 데 사용된다. 빛이 서로 다른 경로를 통과하면서 발생하는 시간 차이를 분석하면 우주의 팽창률에 대한 정보를 얻을 수 있다.
