Le Verrierin pyrkimyksessä selittää arvoituksellisia havaintoja esittelemällä tähän asti piilossa ollut esine, jotkut nykyajan tutkijat näkevät rinnastuksia pimeän aineen ja pimeän energian tarinaan. Tähtitieteilijät ovat vuosikymmenien ajan huomanneet, että galaksien ja galaksijoukkojen käyttäytyminen ei näytä sopivan yleisen suhteellisuusteorian ennusteisiin. Pimeä aine on yksi tapa selittää tämä käyttäytyminen. Samoin maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen voidaan ajatella saavan voimansa pimeästä energiasta.
Kaikki yritykset havaita suoraan pimeää ainetta ja pimeää energiaa ovat kuitenkin epäonnistuneet. Tämä tosiasia ”jättää tavallaan pahan maun joidenkin ihmisten suuhun, melkein kuin kuvitteellinen planeetta Vulcan”, sanoo Leo Stein, teoreettinen fyysikko California Institute of Technologysta. ”Ehkä olemme menossa aivan väärin?”
Voidakseen toimia mikä tahansa vaihtoehtoinen painovoimateoria, sen on paitsi päästävä eroon pimeästä aineesta ja pimeästä energiasta, myös toistettava yleisen suhteellisuusteorian ennusteet kaikissa vakiokonteksteissa. ”Vaihtoehtoiset gravitaatioteoriat ovat sotkuinen asia”, Archibald sanoi. Jotkin yleisen suhteellisuusteorian mahdollisista korvaajista, kuten säieteoria ja silmukkakvanttigravitaatio, eivät tarjoa testattavia ennusteita. Toiset ”tekevät ennusteita, jotka ovat näyttävästi vääriä, joten teoreetikoiden on keksittävä jonkinlainen seulontamekanismi piilottaakseen väärän ennusteen mittakaavoissa, joita voimme oikeasti testata”, hän sanoi.
Tunnetuimmat vaihtoehtoiset gravitaatioteoriat tunnetaan nimellä modifioitu newtonilainen dynamiikka (modified Newtonian dynamics), josta käytetään yleisesti lyhennettä MOND. MOND-tyyppiset teoriat yrittävät päästä eroon pimeästä aineesta muokkaamalla painovoiman määritelmää. Tähtitieteilijät ovat jo pitkään havainneet, että tavallisen aineen aiheuttama gravitaatiovoima ei näytä riittävän pitämään nopeasti liikkuvia tähtiä galaksien sisällä. Pimeän aineen gravitaatiovoiman oletetaan korvaavan eron. MONDin mukaan painovoimaa on kuitenkin yksinkertaisesti kahdenlaista. Alueilla, joilla painovoima on voimakas, kappaleet noudattavat Newtonin gravitaatiolakia, jonka mukaan kahden kappaleen välinen gravitaatiovoima pienenee suhteessa niitä erottavan etäisyyden neliöön. Mutta ympäristössä, jossa painovoima on erittäin heikko – kuten galaksin uloimmissa osissa – MOND viittaa siihen, että kyseessä on toisenlainen painovoima. Tämä painovoima pienenee hitaammin etäisyyden myötä, mikä tarkoittaa, että se ei heikkene yhtä paljon. ”Ideana on tehdä gravitaatiosta voimakkaampaa silloin, kun sen pitäisi olla heikompaa, kuten galaksin reuna-alueilla”, Zumalacárregui sanoo.
Tällöin on olemassa TeVeS (tensor-vektori-skaalaari), MOND:n relativistinen serkku. Siinä missä MOND on Newtonin painovoiman modifikaatio, TeVeS on yritys ottaa MOND:n yleinen idea ja tehdä siitä täydellinen matemaattinen teoria, jota voidaan soveltaa koko maailmankaikkeuteen – ei vain suhteellisen pieniin kohteisiin, kuten aurinkokuntiin ja galakseihin. Se selittää myös galaksien kiertokäyrät tekemällä painovoiman voimakkaammaksi niiden reuna-alueilla. TeVeS tekee sen kuitenkin lisäämällä painovoimaa ”skalaarikentillä” ja ”vektorikentillä”, jotka ”periaatteessa vahvistavat painovoimaa”, sanoo Fabian Schmidt, kosmologi Max Planckin astrofysiikan instituutissa Garchingissa, Saksassa. Skalaarikenttä on kuin lämpötila koko ilmakehässä: Jokaisessa pisteessä sillä on numeerinen arvo, mutta ei suuntaa. Vektorikenttä sen sijaan on kuin tuuli: Sillä on sekä arvo (tuulen nopeus) että suunta.
On olemassa myös niin sanottuja Galileon-teorioita – jotka ovat osa Horndeski ja Beyond-Horndeski -nimisten teorioiden luokkaa – jotka yrittävät päästä eroon pimeästä energiasta. Näissä yleisen suhteellisuusteorian modifikaatioissa otetaan käyttöön myös skalaarikenttä. Näitä teorioita on monia (Brans-Dicke-teoria, dilatoniteoriat, kameleonttiteoriat ja kvintessenssi ovat vain joitakin niistä), ja niiden ennusteet vaihtelevat suuresti eri mallien välillä. Mutta ne kaikki muuttavat maailmankaikkeuden laajenemista ja nipistävät painovoimaa. Horndeskin teorian esitti ensimmäisen kerran Gregory Horndeski vuonna 1974, mutta laajempi fysiikkayhteisö kiinnitti siihen huomiota vasta noin vuonna 2010. Siihen mennessä, Zumalacárregui sanoi, ”Gregory Horndeski lopetti tieteen ja ryhtyi taidemaalariksi New Mexicossa.”
On olemassa myös itsenäisiä teorioita, kuten fyysikko Erik Verlinden teoria. Hänen teoriansa mukaan painovoiman lait syntyvät luonnollisesti termodynamiikan laeista aivan kuten ”aallot syntyvät valtameren vesimolekyyleistä”, Zumalacárregui sanoi. Verlinde kirjoitti sähköpostitse, että hänen ajatuksensa eivät ole ”vaihtoehtoinen teoria” painovoimasta, vaan ”seuraava painovoimateoria, joka sisältää Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ja ylittää sen”. Hän kuitenkin kehittää ideoitaan edelleen. ”Vaikutelmani on, että teoriaa ei ole vielä riittävästi työstetty, jotta se mahdollistaisi meidän suorittamamme tarkkuuskokeet”, Archibald sanoi. Se on rakennettu ”hienojen sanojen” varaan, Zumalacárregui sanoi, ”mutta siinä ei ole matemaattista kehystä, jonka avulla voitaisiin laskea ennusteita ja tehdä vankkoja testejä.”
Muiden teorioiden ennusteet poikkeavat jollakin tavalla yleisen suhteellisuusteorian ennusteista. Nämä erot voivat kuitenkin olla hienovaraisia, mikä tekee niiden löytämisestä uskomattoman vaikeaa.
Tarkastellaan vaikka neutronitähtien sulautumista. Samaan aikaan, kun Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) havaitsi tapahtumasta lähtevät gravitaatioaallot, avaruudessa toimiva Fermi-satelliitti havaitsi samasta paikasta gammasäteilypurkauksen. Nämä kaksi signaalia olivat kulkeneet maailmankaikkeuden halki 130 miljoonaa vuotta ennen kuin ne saapuivat Maahan vain 1,7 sekunnin välein.
Nämä lähes samanaikaiset havainnot ”murhasivat raa’asti ja säälimättömästi” TeVeS-teoriat, sanoo Paulo Freire, Bonnissa Saksassa sijaitsevan Max Planckin radiotähtitieteen instituutin astrofyysikko. ”Gravitaatio ja gravitaatioaallot etenevät valon nopeudella erittäin suurella tarkkuudella – mikä ei ole lainkaan sitä, mitä nuo teoriat ennustivat.”
Sama kohtalo koitui myös joidenkin Galileon-teorioiden kohtaloksi, jotka lisäävät ylimääräisen skalaarikentän selittämään maailmankaikkeuden kiihtyvää laajenemista. Nämä ennustavat myös, että gravitaatioaallot etenevät valoa hitaammin. Neutronitähtien sulautuminen tappoi nekin, Schmidt sanoo.
Lisärajat tulevat uusista pulsarijärjestelmistä. Vuonna 2013 Archibald kollegoineen löysi epätavallisen kolmoissysteemin: pulsari ja valkoinen kääpiö kiertävät toisiaan, ja toinen valkoinen kääpiö kiertää paria. Nämä kolme kohdetta elävät avaruudessa, joka on pienempi kuin Maan kiertorata auringon ympäri. Tiivis ympäristö tarjoaa Archibaldin mukaan ihanteelliset olosuhteet testata yleisen suhteellisuusteorian ratkaisevaa näkökohtaa eli vahvan ekvivalenssiperiaatetta, jonka mukaan hyvin tiheät vahvan painovoiman kohteet, kuten neutronitähdet tai mustat aukot, ”putoavat” samalla tavalla, kun ne sijoitetaan painovoimakenttään. (Maapallolla tutumman heikon ekvivalenssiperiaatteen mukaan höyhen ja tiili putoavat samalla nopeudella, jos ilmanvastus jätetään huomiotta.)