引力波是时空曲率中传播的扰动，由广义相对论预言；广义相对论是相对论中描述引力的部分。与电磁辐射不同，引力波是时空几何的振荡，而非电磁场的振荡。引力波在真空中以光速传播，并将能量从波源带走。阿尔伯特·爱因斯坦于1916年预言了引力波，其首次直接探测发生在2015年。引力波使人们能够不依赖天体系统发出的光来观测这些系统。(ligo.caltech.edu)
物理描述
在广义相对论中，引力通过时空几何来描述，其规律由爱因斯坦场方程决定。在远离波源、波较弱的区域，时空几何可以表示为背景度量张量与一个微小的传播扰动之和。引力波可测量的效应，是邻近自由落体物体之间相对间距的变化，而非物体相对于固定空间背景的绝对位移。(link.springer.com)
广义相对论预言了两种相互独立的横向偏振，通常称为加号偏振和叉号偏振。当引力波垂直穿过由自由落体粒子组成的圆环时，会沿相互正交的方向交替拉伸和压缩圆环。这两种形变模式的方向彼此相差45度。这些形变属于潮汐效应：它们取决于引力作用在具有一定空间尺度的探测器各处的差异。(link.springer.com)
引力波的振幅通常用无量纲的应变表示，即间距的相对变化量。其示意关系为：
其中， 为参考间距， 为引力波引起的间距变化；探测器的具体响应取决于几何构型和偏振。在地球上测得的天体引力波应变极其微小，因此，引力波探测是一项精密测量任务。(ligo.caltech.edu)
波源与波形
引力辐射源于质量分布及其运动的非球对称变化。在弱场、低速近似下，其主导贡献由四极矩公式描述，该公式将引力波振幅与波源质量四极矩对时间的二阶导数联系起来。完全球对称的膨胀或收缩不会产生引力波。(link.springer.com)
重要的波源包括彼此绕转的黑洞双星和中子星双星。双星系统辐射能量时，轨道逐渐收缩，轨道频率随之升高。由此产生的信号频率不断增加，振幅通常也会增大，形成啁啾信号。黑洞并合依次经历旋近、合并和铃宕阶段；在铃宕阶段，合并后的残余天体逐渐趋于定常状态。波形包含了双星成员的质量、自旋，以及系统取向和距离等信息。(ligo.caltech.edu)
其他已提出或预期存在的波源包括具有非轴对称形变的旋转中子星、不对称的恒星核心坍缩，以及早期宇宙中的各种过程。大量无法逐一分辨的波源可以叠加形成随机引力波背景。不同的波源群体分布在不同频段，需要采用相互补充的观测方法。(link.springer.com)
观测里程碑
首个有力的间接证据来自拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒于1974年发现的脉冲星双星系统。脉冲星是一种旋转的中子星，其辐射使观测者接收到规律性的脉冲。长期计时观测表明，该双星系统的轨道正在收缩，收缩速率与引力辐射造成的能量损失相符。赫尔斯和泰勒因发现这一系统而获得1993年诺贝尔物理学奖。(nobelprize.org)
首次直接探测到的引力波事件是GW150914，由LIGO分别位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的两台探测器于2015年9月14日记录。这一发现于2016年2月11日公布。信号来自两个黑洞的合并，估计它们的质量分别约为36个和29个太阳质量。约相当于三个太阳质量的能量以引力波的形式辐射出去。(ligo.caltech.edu)
2017年8月17日，LIGO和Virgo观测到了与双中子星合并有关的GW170817。约1.7秒后出现了一次伽马射线暴，随后望远镜找到了对应的电磁信号。这一事件成为多信使天文学的重要实例，并严格限制了引力波与光的传播速度之差。(ligo.org)
探测与分析
地面观测站利用激光干涉测量，测量相互垂直的光路之间的差分变化。LIGO的臂长为四千米；光在光学腔内反复往返，以提高探测灵敏度。悬挂式反射镜和隔振系统可减少干扰，而热噪声与量子噪声也会限制测量精度。(ligo.caltech.edu)
搜寻致密双星信号时，通常采用匹配滤波，将探测器数据与预先计算的波形模板库进行比较。另一些独立方法则搜寻相干的瞬态信号，无须依赖详细的双星模型。彼此相距较远的探测器所记录信号的一致性，有助于区分天体信号与局地干扰，并约束波源的位置。贝叶斯推断用于估计波源的性质及其不确定性。(ligo.org)
脉冲星计时阵列通过测量脉冲到达时间的相关偏差，探测低得多的纳赫兹频段。2023年，NANOGrav报告了存在某种背景的证据，其角相关模式符合引力波的预期。超大质量黑洞双星群体是一种重要的潜在来源，不过这些证据尚不能唯一确定该背景的来源。(nanograv.org)
规划中的激光干涉空间天线旨在利用彼此相距遥远的航天器观测毫赫兹频段。其目标包括大质量黑洞合并、绕大质量黑洞运行的致密天体，以及包含白矮星的双星系统。(cosmos.esa.int)
科学应用
引力波观测可在快速变化的强场条件下检验相对论引力理论，并研究致密天体群体。中子星的致密物质性质会影响波形，因此，中子星信号也能对这些性质施加约束。在宇宙学中，致密双星可以充当标准汽笛：波形分析能够给出距离估计，将其与红移信息结合，就能在不依赖传统天文距离阶梯的情况下约束宇宙膨胀。(link.springer.com)