I Le Verriers forsøg på at forklare gådefulde observationer ved at introducere et hidtil skjult objekt ser nogle moderne forskere paralleller til historien om mørkt stof og mørk energi. I årtier har astronomer bemærket, at galaksers og galaksehobe’s adfærd ikke synes at passe til forudsigelserne i den generelle relativitetsteori. Mørkt stof er en måde at forklare denne adfærd på. På samme måde kan universets accelererende udvidelse tænkes at blive drevet af en mørk energi.
Alle forsøg på direkte at påvise mørkt stof og mørk energi er imidlertid mislykkedes. Denne kendsgerning “efterlader en slags dårlig smag i munden på nogle mennesker, næsten ligesom den fiktive planet Vulcan”, siger Leo Stein, teoretisk fysiker ved California Institute of Technology. “Måske går vi helt forkert til værks?”
For at en alternativ teori om tyngdekraften kan fungere, skal den ikke blot gøre op med mørkt stof og mørk energi, men også reproducere forudsigelserne i den generelle relativitetsteori i alle standardkontekster. “Det er en rodet affære med alternative tyngdekraftteorier,” sagde Archibald. Nogle af de mulige erstatninger for den generelle relativitetsteori, som f.eks. strengteori og loopkvantetyngdekraft, giver ikke nogen testbare forudsigelser. Andre “giver forudsigelser, der er spektakulært forkerte, så teoretikerne er nødt til at udtænke en slags screeningsmekanisme for at skjule den forkerte forudsigelse på skalaer, som vi faktisk kan teste,” sagde hun.
De bedst kendte alternative tyngdekraftteorier er kendt som modificeret newtonsk dynamik, almindeligvis forkortet MOND. Teorier af MOND-typen forsøger at gøre op med mørkt stof ved at justere vores definition af tyngdekraften. Astronomer har længe observeret, at den tyngdekraft, der skyldes almindeligt stof, tilsyneladende ikke er tilstrækkelig til at holde hurtigt bevægende stjerner inde i deres galakser. Man antager, at det mørke stofs tyngdekraft kan udligne forskellen. Men ifølge MOND er der simpelthen to former for tyngdekraft. I områder, hvor tyngdekraften er stærk, adlyder legemer Newtons tyngdelov, som siger, at tyngdekraften mellem to objekter aftager i forhold til kvadratet på den afstand, der adskiller dem. Men i omgivelser med ekstremt svag tyngdekraft – som f.eks. de ydre dele af en galakse – tyder MOND på, at der er en anden type tyngdekraft i spil. Denne tyngdekraft aftager langsommere med afstanden, hvilket betyder, at den ikke svækkes så meget. “Ideen er at gøre tyngdekraften stærkere, når den burde være svagere, som f.eks. i udkanten af en galakse,” siger Zumalacárregui.
Så er der TeVeS (tensor-vektor-scalar), MOND’s relativistiske fætter. Mens MOND er en modifikation af Newtons tyngdekraft, er TeVeS et forsøg på at tage den generelle idé i MOND og gøre den til en fuld matematisk teori, der kan anvendes på universet som helhed – og ikke kun på relativt små objekter som solsystemer og galakser. Den forklarer også galaksernes rotationskurver ved at gøre tyngdekraften stærkere i galaksernes udkanter. Men TeVeS gør det ved at forstærke tyngdekraften med “skalar”- og “vektor”-felter, der “i bund og grund forstærker tyngdekraften”, siger Fabian Schmidt, kosmolog ved Max Planck Institute for Astrophysics i Garching, Tyskland. Et skalarfelt er ligesom temperaturen i hele atmosfæren: I hvert punkt har det en numerisk værdi, men ingen retning. Et vektorfelt derimod er som vinden: Det har både en værdi (vindhastigheden) og en retning.
Der findes også såkaldte Galileon-teorier – en del af en klasse af teorier kaldet Horndeski og beyond-Horndeski – som forsøger at slippe af med den mørke energi. Disse modifikationer af den generelle relativitetsteori introducerer også et skalarfelt. Der findes mange af disse teorier (Brans-Dicke-teorien, dilaton-teorier, kamæleon-teorier og kvintessens er blot nogle af dem), og deres forudsigelser varierer voldsomt fra model til model. Men de ændrer alle universets udvidelse og justerer tyngdekraften. Horndeski-teorien blev først fremsat af Gregory Horndeski i 1974, men det bredere fysikmiljø tog først notits af den omkring 2010. På det tidspunkt sagde Zumalacárregui: “Gregory Horndeski stoppede med videnskaben og blev maler i New Mexico.”
Der findes også selvstændige teorier, som f.eks. fysikeren Erik Verlindes teori. Ifølge hans teori opstår tyngdeloven naturligt af termodynamikkens love ligesom “den måde, hvorpå bølger opstår af vandmolekylerne i havet”, sagde Zumalacárregui. Verlinde skrev i en e-mail, at hans idéer ikke er en “alternativ teori” om tyngdekraften, men “den næste teori om tyngdekraften, der indeholder og overgår Einsteins generelle relativitetsteori”. Men han er stadig i gang med at udvikle sine idéer. “Mit indtryk er, at teorien stadig ikke er tilstrækkeligt gennemarbejdet til at muliggøre den slags præcisionstest, som vi udfører,” sagde Archibald. Den er bygget på “flotte ord”, sagde Zumalacárregui, “men ingen matematisk ramme til at beregne forudsigelser og foretage solide tests.”
De forudsigelser, som andre teorier giver, adskiller sig på en eller anden måde fra den generelle relativitetsteori. Alligevel kan disse forskelle være subtile, hvilket gør dem utroligt svære at finde.
Tænk på neutronstjernefusionen. Samtidig med at Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) opdagede de gravitationsbølger, der udgik fra begivenheden, opdagede den rumbaserede Fermi-satellit et gammastråleudbrud fra det samme sted. De to signaler havde rejst gennem universet i 130 millioner år, før de ankom til Jorden med kun 1,7 sekunders mellemrum.
Disse næsten samtidige observationer “myrdede brutalt og nådesløst” TeVeS teorierne, sagde Paulo Freire, en astrofysiker ved Max Planck Institute for Radio Astronomy i Bonn, Tyskland. “Gravitation og gravitationsbølger udbreder sig med lysets hastighed og med ekstremt høj præcision – hvilket slet ikke er det, som disse teorier forudsagde.”
Den samme skæbne overgik nogle Galileon-teorier, der tilføjer et ekstra skalarfelt for at forklare universets accelererede ekspansion. Disse forudsiger også, at gravitationsbølger udbreder sig langsommere end lys. Neutronstjerne-sammenlægningen dræbte også disse, sagde Schmidt.
Der kommer yderligere begrænsninger fra nye pulsarsystemer. I 2013 fandt Archibald og hendes kolleger et usædvanligt tredobbelt system: en pulsar og en hvid dværg, der kredser om hinanden, og en anden hvid dværg, der kredser om parret. Disse tre objekter eksisterer i et rum, der er mindre end Jordens kredsløb om solen. Archibald sagde, at de snævre omgivelser giver ideelle betingelser for at afprøve et afgørende aspekt af den generelle relativitetsteori kaldet det stærke ækvivalensprincip, som fastslår, at meget tætte objekter med stærk tyngdekraft som neutronstjerner eller sorte huller “falder” på samme måde, når de placeres i et tyngdefelt. (På Jorden siger det mere velkendte svage ækvivalensprincip, at hvis vi ser bort fra luftmodstanden, vil en fjer og en mursten falde med samme hastighed.)