En physique, une onde gravitationnelle est une oscillation de la courbure de l'espace-temps qui se propage à grande distance de son point de formation.
Albert Einstein a prédit l'existence des ondes gravitationnelles en 1916 : selon sa théorie de la relativité générale qu’il venait de publier, de même que les ondes électromagnétiques (lumière, ondes radio, rayons X, etc.) sont produites par les particules chargées accélérées, les ondes gravitationnelles seraient produites par des masses accélérées et se propageraient à la vitesse de la lumière dans le vide. Cependant, la réalité des ondes gravitationnelles a été longuement débattue. Einstein changea plusieurs fois d'avis à ce sujet, la question étant de savoir si ces ondes avaient effectivement une existence physique ou bien constituaient un artefact mathématique résultant d'un choix du système de coordonnées. Pour statuer, et disposer à cette occasion d'un nouveau test de la relativité générale, seule la recherche expérimentale pouvait lever le doute. Les efforts dans ce sens ont été engagés à partir des années 1960, avec la réalisation des premières barres de Weber.
Depuis 2016, l'existence des ondes gravitationnelles est confirmée, grâce à une première observation faite le 14 septembre 2015. Cette observation ouvre un champ nouveau d'observation de l'Univers à grande échelle, d'autant que les ondes gravitationnelles ne sont pas arrêtées par la matière. En revanche elle laisse encore ouverte la question de l’existence du graviton.
Le succès des détecteurs interférométriques à détecter un déplacement maximal de ± 2 × 10−18 m permet, en 2016, d'espérer un élargissement du spectre d'observation avec les développements techniques à venir.
Les principes de la relativité restreinte amènent à postuler que l'interaction gravitationnelle se propage (au plus) à la vitesse de la lumière, ce qu'avait déjà remarqué Henri Poincaré en 1905 en parlant d'une « onde gravifique ». Albert Einstein prédit plus précisément l'existence d'ondes gravitationnelles en 1916, en se fondant sur sa théorie de la relativité générale.
Cependant, la réalité des ondes gravitationnelles a été longuement débattue, Einstein changeant lui-même plusieurs fois d'avis à ce sujet. La question était de savoir si ces ondes avaient effectivement une existence physique ou bien résultaient d'un « pur effet de jauge », autrement dit d'un choix de système de coordonnées. Cette question fut définitivement tranchée lors de la conférence de Chapel Hill (Caroline du Nord) (États-Unis) en 1957. Les contributions de Felix Pirani et Hermann Bondi furent déterminantes. Bondi suggéra qu'en connectant deux masses aux extrémités d'un piston, on absorberait l'énergie de l'onde en la transformant en chaleur (« sticky bead » argument), ce qui démontre que l'onde doit posséder une réalité physique. Ce fut le point de départ du développement d'instruments permettant la mise en évidence expérimentale des ondes gravitationnelles.
L'observation du pulsar binaire PSR B1913+16 permit aux physiciens Russell Hulse et Joseph Taylor de disposer d’un indice sérieux en faveur de l'existence des ondes gravitationnelles, en montrant que la diminution de période de ce système binaire s'expliquait avec précision par l'émission de telles ondes. Ce travail fut récompensé par le prix Nobel de physique en 1993.
Le 14 septembre 2015, les chercheurs du LIGO annoncent avoir détecté directement des ondes gravitationnelles ; cette annonce est confirmée officiellement le 11 février 2016, le résultat est publié le jour même dans la revue Physical Review Letters. Ces ondes gravitationnelles ont été produites par la coalescence de deux trous noirs, situés à 1,3 milliard d'années-lumière. Ce serait aussi « la première preuve directe de l’existence des trous noirs », affirme Thibault Damour, physicien théoricien français.
Le phénomène est observé une deuxième fois en décembre 2015 (annoncé en juin 2016), la détection ayant été à nouveau réalisée par l'expérience LIGO. Ce nouveau signal est baptisé GW151226. Le 3 octobre 2017, le prix Nobel de physique 2017 a été attribué conjointement à Rainer Weiss, Barry C. Barish et Kip Thorne pour récompenser leurs recherches sur les ondes gravitationnelles.
Le 17 août 2017, une contrepartie électromagnétique est captée après la détection d'un signal d'ondes gravitationnelles, permettant une étude fine de la source : une fusion d’étoiles à neutrons[réf. souhaitée]. Cette double détection est l'acte de naissance d'une nouvelle discipline, l'astronomie multimessager.
Le 14 août 2019, la coopération LIGO/Virgo détecte la collision d'un trou noir et d'un objet de nature inconnue : avec une masse de 2,50 à 2,67 M⊙, il est en principe trop lourd pour une étoile à neutrons, mais trop léger pour un trou noir.
L'espace-temps doit bourdonner à des fréquences de l'ordre du nanohertz, en raison de la fusion de trous noirs supermassifs. En juillet 2023, plusieurs collaborations internationales annoncent avoir détecté ces vibrations de basse fréquence.
Le 23 novembre 2023 est détecté l'événement de fusion le plus puissant depuis la première détection (émission de l'énergie équivalente à environ 15 M☉), impliquant aussi les trous noirs les plus massifs (environ 137 et 103 M☉).
Le 11 octobre (GW241011) et le 10 novembre (GW241110) 2024, le trou noir le plus massif de chacune des deux fusions détectées est beaucoup plus massif que l'autre et en rotation rapide, ce qui semble indiquer qu'il s'agit d'un trou noir de deuxième génération, c'est-à-dire résultant lui-même d'une fusion antérieure.
Le 14 janvier 2025, les améliorations apportées au détecteur LIGO permettent de détecter pour la première fois les vibrations de l'espace-temps produites par le trou noir résultant de la fusion, et de vérifier la prédiction d'Hawking selon laquelle la surface totale des trous noirs ne pouvait pas diminuer : 400 000 km2 pour le trou noir résultant, contre 240 000 km2 pour la somme des surfaces des trous noirs parents.
Dans la théorie de la relativité générale, la gravité provient de la courbure de l'espace-temps. Cette courbure est causée par la présence d'objets possédant une masse. Plus la masse de l'objet est grande, plus la courbure produite est grande et ainsi plus la gravité est intense. Lorsque des objets massifs se déplacent dans l'espace-temps, la courbure de l'espace-temps s'ajuste pour refléter le changement de la position de ces objets. Sous certaines circonstances, les objets accélérés peuvent produire une perturbation de l'espace-temps qui s'étend et se propage de manière analogue à « des vagues à la surface de l'eau ». On désigne par onde gravitationnelle (ou parfois onde de gravitation) ce type de perturbation, se propageant à la vitesse de la lumière. Ces ondes sont inexistantes dans la théorie newtonienne qui suppose une propagation instantanée de la gravitation.
L'analogie entre des charges électriques en mouvement et des masses en mouvement permet de mieux appréhender le phénomène : de la même manière que l'accélération de particules chargées produit des ondes électromagnétiques, l'accélération de particules possédant une masse (qui est l'analogue de la charge pour la gravité) produit des ondes gravitationnelles. La plupart des théories de gravité quantique postulent l'existence d'une particule élémentaire correspondante appelée le graviton, de façon analogue à l'électrodynamique quantique dans laquelle le médiateur de la force électromagnétique n'est autre que le photon. Le graviton est associé à l'onde gravitationnelle, les caractéristiques de cette dernière donnent de précieuses informations sur cette particule tel que sa masse ou son spin. Cependant, même après la mise en évidence des ondes gravitationnelles, l’existence du graviton reste hypothétique.
Les éventuels objets constitués de matière noire, ainsi que leurs événements de fusion, pourraient eux aussi émettre des ondes gravitationnelles détectables par les dispositifs LIGO. Dans les faits, de nombreux types d'événements astrophysiques pourraient en principe créer des ondes gravitationnelles, avec des fréquences allant de quelques kHz à quelques nHz. Dans la gamme de fréquences nHz les sources potentielles comprennent les cordes cosmiques, les fluctuations quantiques de l'Univers primordial et, notamment, les binaires de trous noirs supermassifs (SMBHB, pour supermassive black hole binary). Certaines sources d'ondes gravitationnelles sont si nombreuses qu'elles devraient contribuer à un fond d'ondes gravitationnelles (GWB, pour gravitational wave background). Ce fond est la cible des réseaux de synchronisation de pulsars (PTA, pour pulsar timing array) depuis des décennies, et pourrait être détecté prochainement.