En el impulso de Le Verrier para explicar las observaciones desconcertantes introduciendo un objeto hasta ahora oculto, algunos investigadores actuales ven paralelismos con la historia de la materia y la energía oscuras. Durante décadas, los astrónomos han observado que el comportamiento de las galaxias y los cúmulos de galaxias no parece ajustarse a las predicciones de la relatividad general. La materia oscura es una forma de explicar ese comportamiento. Asimismo, se puede pensar que la expansión acelerada del universo está impulsada por una energía oscura.
Sin embargo, todos los intentos de detectar directamente la materia y la energía oscuras han fracasado. Este hecho «deja un poco de mal sabor de boca en algunas personas, casi como el planeta ficticio Vulcano», dijo Leo Stein, físico teórico del Instituto Tecnológico de California. «Para que una teoría alternativa de la gravedad funcione, no sólo debe eliminar la materia y la energía oscuras, sino también reproducir las predicciones de la relatividad general en todos los contextos estándar. «El asunto de las teorías alternativas de la gravedad es complicado», afirma Archibald. Algunos posibles sustitutos de la relatividad general, como la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles, no ofrecen predicciones comprobables. Otras «hacen predicciones que son espectacularmente erróneas, por lo que los teóricos tienen que idear algún tipo de mecanismo de detección para ocultar la predicción errónea en escalas que realmente podamos probar», dijo.
Las teorías alternativas de la gravedad más conocidas se conocen como dinámica newtoniana modificada, comúnmente abreviada como MOND. Las teorías de tipo MOND intentan eliminar la materia oscura modificando nuestra definición de gravedad. Los astrónomos llevan tiempo observando que la fuerza gravitatoria debida a la materia ordinaria no parece ser suficiente para mantener a las estrellas en rápido movimiento dentro de sus galaxias. Se supone que la atracción gravitatoria de la materia oscura compensa la diferencia. Pero según MOND, hay simplemente dos tipos de gravedad. En las regiones donde la fuerza de la gravedad es fuerte, los cuerpos obedecen la ley de la gravedad de Newton, que establece que la fuerza gravitatoria entre dos objetos disminuye en proporción al cuadrado de la distancia que los separa. Pero en entornos de gravedad extremadamente débil -como las partes exteriores de una galaxia- MOND sugiere que hay otro tipo de gravedad en juego. Esta gravedad disminuye más lentamente con la distancia, lo que significa que no se debilita tanto. «La idea es hacer que la gravedad sea más fuerte cuando debería ser más débil, como en las afueras de una galaxia», dijo Zumalacárregui.
Luego está TeVeS (tensor-vector-escalar), el primo relativista de MOND. Mientras que MOND es una modificación de la gravedad newtoniana, TeVeS es un intento de tomar la idea general de MOND y convertirla en una teoría matemática completa que pueda aplicarse al universo en su conjunto, no sólo a objetos relativamente pequeños como sistemas solares y galaxias. También explica las curvas de rotación de las galaxias haciendo que la gravedad sea más fuerte en su periferia. Pero TeVeS lo hace aumentando la gravedad con campos «escalares» y «vectoriales» que «esencialmente amplifican la gravedad», dijo Fabian Schmidt, cosmólogo del Instituto Max Planck de Astrofísica en Garching (Alemania). Un campo escalar es como la temperatura de la atmósfera: En cada punto tiene un valor numérico pero no una dirección. Un campo vectorial, por el contrario, es como el viento: Tiene tanto un valor (la velocidad del viento) como una dirección.
También existen las llamadas teorías de Galileo -parte de una clase de teorías llamadas Horndeski y más allá de Horndeski- que intentan deshacerse de la energía oscura. Estas modificaciones de la relatividad general también introducen un campo escalar. Hay muchas de estas teorías (la teoría de Brans-Dicke, las teorías del dilatón, las teorías del camaleón y la quintaesencia son sólo algunas de ellas), y sus predicciones varían mucho entre los modelos. Pero todas ellas modifican la expansión del universo y ajustan la fuerza de la gravedad. La teoría de Horndeski fue presentada por primera vez por Gregory Horndeski en 1974, pero la comunidad física en general no tomó nota de ella hasta 2010. Para entonces, dijo Zumalacárregui, «Gregory Horndeski dejó la ciencia y un pintor en Nuevo México».
También hay teorías independientes, como la del físico Erik Verlinde. Según su teoría, las leyes de la gravedad surgen de forma natural de las leyes de la termodinámica al igual que «la forma en que las olas surgen de las moléculas del agua en el océano», dijo Zumalacárregui. Verlinde escribió en un correo electrónico que sus ideas no son una «teoría alternativa» de la gravedad, sino «la próxima teoría de la gravedad que contiene y trasciende la relatividad general de Einstein». Pero todavía está desarrollando sus ideas. «Mi impresión es que la teoría aún no está lo suficientemente elaborada como para permitir el tipo de pruebas de precisión que realizamos», dijo Archibald. Está construida con «palabras rebuscadas», dijo Zumalacárregui, «pero sin un marco matemático que permita calcular predicciones y hacer pruebas sólidas».
Las predicciones hechas por otras teorías difieren de alguna manera de las de la relatividad general. Sin embargo, estas diferencias pueden ser sutiles, lo que hace que sean increíblemente difíciles de encontrar.
Considere la fusión de estrellas de neutrones. Al mismo tiempo que el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser (LIGO) detectó las ondas gravitacionales que emanaban del evento, el satélite Fermi, con base en el espacio, detectó un estallido de rayos gamma procedente del mismo lugar. Las dos señales habían viajado a través del universo durante 130 millones de años antes de llegar a la Tierra con sólo 1,7 segundos de diferencia.
Estas observaciones casi simultáneas «asesinaron brutalmente y sin piedad» las teorías del TeVeS, dijo Paulo Freire, astrofísico del Instituto Max Planck de Radioastronomía en Bonn, Alemania. «La gravedad y las ondas gravitacionales se propagan a la velocidad de la luz, con una precisión extremadamente alta, lo que no es en absoluto lo que predecían esas teorías»
El mismo destino corrieron algunas teorías de Galileo que añaden un campo escalar adicional para explicar la expansión acelerada del universo. Estas también predicen que las ondas gravitacionales se propagan más lentamente que la luz. La fusión de estrellas de neutrones también acabó con ellas, dijo Schmidt.
Otros límites provienen de nuevos sistemas de púlsares. En 2013, Archibald y sus colegas encontraron un inusual sistema triple: un púlsar y una enana blanca que orbitan entre sí, con una segunda enana blanca orbitando el par. Estos tres objetos existen en un espacio más pequeño que la órbita de la Tierra alrededor del Sol. Según Archibald, este estrecho entorno ofrece las condiciones ideales para comprobar un aspecto crucial de la relatividad general denominado principio de equivalencia fuerte, que establece que los objetos muy densos de gravedad fuerte, como las estrellas de neutrones o los agujeros negros, «caen» de la misma manera cuando se colocan en un campo gravitatorio. (En la Tierra, el principio de equivalencia débil, más conocido, afirma que, si ignoramos la resistencia del aire, una pluma y un ladrillo caerán a la misma velocidad.)