In Le Verriers Impuls, rätselhafte Beobachtungen durch die Einführung eines bis dahin verborgenen Objekts zu erklären, sehen einige moderne Forscher Parallelen zur Geschichte der dunklen Materie und der dunklen Energie. Seit Jahrzehnten stellen Astronomen fest, dass das Verhalten von Galaxien und Galaxienhaufen nicht den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie zu entsprechen scheint. Die dunkle Materie ist eine Möglichkeit, dieses Verhalten zu erklären. Auch die beschleunigte Ausdehnung des Universums kann als von einer dunklen Energie angetrieben angesehen werden.
Alle Versuche, dunkle Materie und dunkle Energie direkt nachzuweisen, sind jedoch gescheitert. Diese Tatsache „hinterlässt bei manchen Leuten einen schlechten Beigeschmack, fast wie der fiktive Planet Vulkan“, sagt Leo Stein, ein theoretischer Physiker am California Institute of Technology. „
Damit eine alternative Gravitationstheorie funktioniert, muss sie nicht nur die dunkle Materie und die dunkle Energie beseitigen, sondern auch die Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie in allen Standardkontexten reproduzieren. „Das Geschäft mit den alternativen Gravitationstheorien ist ein chaotisches Geschäft“, so Archibald. Einige Möchtegern-Ersatztheorien für die allgemeine Relativitätstheorie, wie die Stringtheorie und die Schleifen-Quantengravitation, bieten keine überprüfbaren Vorhersagen. Andere „machen Vorhersagen, die spektakulär falsch sind, so dass sich die Theoretiker eine Art Abschirmungsmechanismus ausdenken müssen, um die falschen Vorhersagen auf Skalen zu verbergen, die wir tatsächlich testen können“, sagte sie.
Die bekanntesten alternativen Gravitationstheorien sind als modifizierte Newtonsche Dynamik bekannt, allgemein abgekürzt als MOND. MOND-Theorien versuchen, die dunkle Materie zu beseitigen, indem sie unsere Definition der Schwerkraft verändern. Astronomen haben seit langem beobachtet, dass die Gravitationskraft der gewöhnlichen Materie nicht ausreicht, um sich schnell bewegende Sterne im Inneren ihrer Galaxien zu halten. Es wird angenommen, dass die Anziehungskraft der dunklen Materie die Differenz ausgleicht. Nach MOND gibt es jedoch einfach zwei Arten von Schwerkraft. In Regionen, in denen die Schwerkraft stark ist, gehorchen die Körper dem Newtonschen Gravitationsgesetz, das besagt, dass die Gravitationskraft zwischen zwei Objekten proportional zum Quadrat der Entfernung, die sie trennt, abnimmt. In Umgebungen mit extrem schwacher Schwerkraft – wie in den äußeren Teilen einer Galaxie – deutet MOND jedoch darauf hin, dass eine andere Art von Schwerkraft im Spiel ist. Diese Schwerkraft nimmt mit der Entfernung langsamer ab, was bedeutet, dass sie sich nicht so stark abschwächt. „Die Idee ist, die Schwerkraft dort zu verstärken, wo sie schwächer sein sollte, wie am Rande einer Galaxie“, sagte Zumalacárregui.
Dann gibt es TeVeS (Tensor-Vektor-Skalar), den relativistischen Cousin von MOND. Während MOND eine Abwandlung der Newtonschen Gravitation ist, ist TeVeS ein Versuch, die allgemeine Idee von MOND in eine vollständige mathematische Theorie zu überführen, die auf das Universum als Ganzes angewendet werden kann – nicht nur auf relativ kleine Objekte wie Sonnensysteme und Galaxien. Sie erklärt auch die Rotationskurven von Galaxien, indem sie die Schwerkraft in deren Randbereichen verstärkt. Aber TeVeS tut dies, indem es die Schwerkraft mit „skalaren“ und „vektoriellen“ Feldern verstärkt, die „im Wesentlichen die Schwerkraft verstärken“, so Fabian Schmidt, ein Kosmologe am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching, Deutschland. Ein skalares Feld ist wie die Temperatur in der gesamten Atmosphäre: An jedem Punkt hat es einen numerischen Wert, aber keine Richtung. Ein Vektorfeld hingegen ist wie der Wind: Es hat sowohl einen Wert (die Windgeschwindigkeit) als auch eine Richtung.
Es gibt auch sogenannte Galileon-Theorien – Teil einer Klasse von Theorien, die Horndeski und Beyond-Horndeski genannt werden – die versuchen, die dunkle Energie loszuwerden. Diese Modifikationen der allgemeinen Relativitätstheorie führen ebenfalls ein Skalarfeld ein. Es gibt viele dieser Theorien (die Brans-Dicke-Theorie, die Dilaton-Theorien, die Chamäleon-Theorien und die Quintessenz sind nur einige von ihnen), und ihre Vorhersagen variieren stark zwischen den Modellen. Aber sie alle verändern die Ausdehnung des Universums und beeinflussen die Schwerkraft. Die Horndeski-Theorie wurde erstmals 1974 von Gregory Horndeski vorgeschlagen, aber die breitere Physikgemeinde nahm sie erst um 2010 zur Kenntnis. Zu diesem Zeitpunkt, so Zumalacárregui, „gab Gregory Horndeski die Wissenschaft auf und wurde Maler in New Mexico.“
Es gibt auch eigenständige Theorien, wie die des Physikers Erik Verlinde. Seiner Theorie zufolge ergeben sich die Gesetze der Schwerkraft auf natürliche Weise aus den Gesetzen der Thermodynamik, so wie „die Wellen aus den Wassermolekülen im Ozean entstehen“, so Zumalacárregui. Verlinde schrieb in einer E-Mail, seine Ideen seien keine „alternative Theorie“ der Schwerkraft, sondern „die nächste Theorie der Schwerkraft, die Einsteins allgemeine Relativitätstheorie enthält und über sie hinausgeht“. Aber er entwickelt seine Ideen noch weiter. „Mein Eindruck ist, dass die Theorie noch nicht ausreichend ausgearbeitet ist, um die Art von Präzisionstests zu ermöglichen, die wir durchführen“, sagte Archibald. Sie basiert auf „schönen Worten“, sagte Zumalacárregui, „aber keinem mathematischen Rahmen, um Vorhersagen zu berechnen und solide Tests durchzuführen.“
Die Vorhersagen anderer Theorien unterscheiden sich in gewisser Weise von denen der allgemeinen Relativitätstheorie. Doch diese Unterschiede können subtil sein, was es unglaublich schwierig macht, sie zu finden.
Betrachten Sie die Neutronenstern-Fusion. Zur gleichen Zeit, als das Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) die von dem Ereignis ausgehenden Gravitationswellen entdeckte, entdeckte der weltraumgestützte Fermi-Satellit einen Gammastrahlenausbruch am gleichen Ort. Die beiden Signale waren 130 Millionen Jahre lang durch das Universum gereist, bevor sie im Abstand von nur 1,7 Sekunden auf der Erde ankamen.
Diese fast gleichzeitigen Beobachtungen haben die TeVeS-Theorien „brutal und erbarmungslos vernichtet“, so Paulo Freire, Astrophysiker am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, Deutschland. „Schwerkraft und Gravitationswellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, und zwar mit extrem hoher Präzision – was von diesen Theorien überhaupt nicht vorhergesagt wurde.“
Das gleiche Schicksal ereilte einige Galileon-Theorien, die ein zusätzliches Skalarfeld hinzufügen, um die beschleunigte Expansion des Universums zu erklären. Diese Theorien sagen auch voraus, dass sich Gravitationswellen langsamer als Licht ausbreiten. Die Verschmelzung von Neutronensternen hat auch diese Theorien zunichte gemacht, so Schmidt.
Weitere Grenzen ergeben sich aus neuen Pulsarsystemen. 2013 entdeckten Archibald und ihre Kollegen ein ungewöhnliches Dreifachsystem: ein Pulsar und ein Weißer Zwerg, die einander umkreisen, sowie ein zweiter Weißer Zwerg, der das Paar umkreist. Diese drei Objekte befinden sich in einem Raum, der kleiner ist als die Umlaufbahn der Erde um die Sonne. Die enge Umgebung bietet laut Archibald ideale Bedingungen, um einen entscheidenden Aspekt der allgemeinen Relativitätstheorie zu testen, das so genannte starke Äquivalenzprinzip, das besagt, dass sehr dichte Objekte mit hoher Schwerkraft wie Neutronensterne oder Schwarze Löcher auf dieselbe Weise „fallen“, wenn sie sich in einem Gravitationsfeld befinden. (Auf der Erde besagt das bekanntere schwache Äquivalenzprinzip, dass eine Feder und ein Ziegelstein gleich schnell fallen, wenn man den Luftwiderstand ignoriert.)