Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans le tissu de la courbure de l'espace-temps, qui se propagent depuis leur source comme les cercles à la surface de l'eau après qu'on y a jeté un caillou. Lorsqu'une onde contourne une galaxie, sa trajectoire se courbe, un peu comme une ride d'eau qui rencontre un rocher submergé. Les amas invisibles de matière noire à l'intérieur de la galaxie agissent comme un semis de petits cailloux, chacun apportant une perturbation infime. Les scientifiques ont calculé que ces distorsions, pour les ondes gravitationnelles dans la gamme du futur observatoire spatial LISA, atteindraient plusieurs pour cent, ce qui est suffisant pour une détection fiable. Les changements se manifesteraient comme de légères variations dans l'amplitude et le temps d'arrivée de l'onde, un peu comme si une voix familière sur un enregistrement devenait un peu plus faible ou en retard : des instruments sensibles remarqueraient la différence.
L'effet le plus fort se produit lorsque la longueur d'onde est comparable à la taille des amas de matière noire (de quelques dizaines à quelques centaines de milliers de kilomètres). C'est précisément sur ces longueurs d'onde que LISA, dont le lancement est prévu pour les années 2030, est conçue. L'effet ne dépend presque pas de la nature des particules, seule leur gravité compte, si bien que la méthode est valable pour tous les modèles de matière noire.
En analysant le motif fréquentiel, un peu comme on prendrait une spectroscopie de l'ondulation déformée, les astronomes pourront cartographier la répartition des amas de matière noire à l'intérieur de la lentille gravitationnelle. Cela révélera des structures invisibles aux télescopes classiques, car elles n'émettent pas de lumière. Ainsi, grâce à de subtiles ondulations sur l'étang cosmique, nous pourrons lire la forme des profondeurs cachées.
La première lentille gravitationnelle a été observée en 1979 : une double image d'un quasar, créée par une galaxie située sur la ligne de visée.