Гравитационные волны – это распространяющиеся колебания гравитационного поля, предсказанные Эйнштейном в двух работах 1916 и 1918 гг. Поскольку общая теория относительности – это геометрическая теория гравитации, то часто говорят, что гравитационные волны – это волны пространства-времени.
Гравитационные волны испускаются ускоренно движущимися объектами. Однако для этого подходят не все виды движения: скажем, вращающийся идеальный шар не будет источником гравитационных волн, как и цилиндр, вращающийся вокруг своей оси, а вот вращающееся вытянутое тело вроде мяча для регби (при вращении вокруг одной из своих коротких осей) генерирует гравитационные волны. Гравитационные волны могут также излучаться и при пульсационных изменениях формы тела (но она опять же не должна быть идеально симметричной).
Скорость гравитационных волн в общей теории относительности равна световой. Как и другие волны, гравитационные обладают частотой и длиной волны (эти величины, как и у любых волн, связаны между собой). Частота волн связана с характеристиками источника (например, с частотой вращения или пульсаций).
В астрофизике существует несколько потенциальных достаточно мощных источников гравитационных волн. Самые длинные волны связаны с процессами в ранней Вселенной на стадии инфляции. Их максимальная длина волны по порядку величины соответствует размеру видимой части Вселенной, а минимальная частота обратна ее возрасту. Далее заметный фон гравитационного излучения могут составлять двойные звезды в нашей Галактике, а также пары сверхмассивных черных дыр в центрах далеких галактик. Слияния сверхмассивных черных дыр должны порождать гравитационно-волновые всплески, длина волны при этом будет составлять примерно от долей (1 a.е. = 150 млн км) до сотни, а частота – от нескольких до долей миллигерц в зависимости от масс сливающихся дыр.
Сильными астрофизическими источниками гравитационных волн в первую очередь являются сливающиеся черные дыры и нейтронные звезды.
Черные дыры звездных масс при слиянии дают всплески на частоте от десятков до сотен герц. Чем больше масса, тем ниже частота, поскольку у черных дыр размер прямо пропорционален массе, а значит, с ростом массы растут периоды обращения прямо перед слиянием и длина испускаемой волны. Сливающиеся нейтронные звезды должны давать основной сигнал на частоте около 1 кГц. Именно под такие события – слияния компактных объектов звездных масс – проектировались наземные лазерные интерферометры LIGO и Virgo (и именно такие сигналы удалось уловить в сентябре 2015 г. и позже). Наконец, взрывы сверхновых могут давать сигнал на частоте в несколько килогерц.