Dans l’élan de Le Verrier pour expliquer des observations déroutantes en introduisant un objet jusqu’ici caché, certains chercheurs modernes voient des parallèles à l’histoire de la matière noire et de l’énergie noire. Depuis des décennies, les astronomes ont remarqué que le comportement des galaxies et des amas de galaxies ne semble pas correspondre aux prédictions de la relativité générale. La matière noire est une façon d’expliquer ce comportement. De même, on peut penser que l’expansion accélérée de l’univers est alimentée par une énergie sombre.
Toutes les tentatives pour détecter directement la matière noire et l’énergie sombre ont cependant échoué. Ce fait « laisse en quelque sorte un mauvais goût dans la bouche de certaines personnes, presque comme la planète fictive Vulcain », a déclaré Leo Stein, un physicien théoricien à l’Institut de technologie de Californie. « Pour qu’une théorie alternative de la gravité fonctionne, elle doit non seulement éliminer la matière noire et l’énergie noire, mais aussi reproduire les prédictions de la relativité générale dans tous les contextes standard. « La question des théories alternatives de la gravité est complexe », a déclaré M. Archibald. Certains remplaçants potentiels de la relativité générale, comme la théorie des cordes et la gravité quantique à boucles, ne proposent pas de prédictions vérifiables. D’autres « font des prédictions qui sont spectaculairement fausses, de sorte que les théoriciens doivent concevoir une sorte de mécanisme de filtrage pour cacher la prédiction erronée sur des échelles que nous pouvons réellement tester », a-t-elle déclaré.
Les théories de gravité alternatives les plus connues sont connues sous le nom de dynamique newtonienne modifiée, communément abrégée en MOND. Les théories de type MOND tentent de se débarrasser de la matière noire en modifiant notre définition de la gravité. Les astronomes ont observé depuis longtemps que la force gravitationnelle due à la matière ordinaire ne semble pas suffisante pour maintenir les étoiles en mouvement rapide à l’intérieur de leurs galaxies. La force gravitationnelle de la matière noire est censée combler la différence. Mais selon la théorie MOND, il existe simplement deux types de gravité. Dans les régions où la force de gravité est forte, les corps obéissent à la loi de la gravité de Newton, qui stipule que la force gravitationnelle entre deux objets diminue proportionnellement au carré de la distance qui les sépare. Mais dans les environnements où la gravité est extrêmement faible, comme dans les parties extérieures d’une galaxie, MOND suggère qu’un autre type de gravité est en jeu. Cette gravité diminue plus lentement avec la distance, ce qui signifie qu’elle ne s’affaiblit pas autant. « L’idée est de rendre la gravité plus forte quand elle devrait être plus faible, comme à la périphérie d’une galaxie », a déclaré Zumalacárregui.
Puis il y a TeVeS (tenseur-vecteur-scalaire), le cousin relativiste de MOND. Alors que MOND est une modification de la gravité newtonienne, TeVeS est une tentative de prendre l’idée générale de MOND et d’en faire une théorie mathématique complète qui peut être appliquée à l’univers dans son ensemble – pas seulement à des objets relativement petits comme les systèmes solaires et les galaxies. Elle explique également les courbes de rotation des galaxies en rendant la gravité plus forte à leur périphérie. Mais TeVeS le fait en augmentant la gravité avec des champs « scalaires » et « vectoriels » qui « amplifient essentiellement la gravité », explique Fabian Schmidt, cosmologiste à l’Institut Max Planck d’astrophysique de Garching, en Allemagne. Un champ scalaire est comme la température dans l’atmosphère : En chaque point, il a une valeur numérique mais pas de direction. Un champ vectoriel, par contre, est comme le vent : Il a à la fois une valeur (la vitesse du vent) et une direction.
Il existe également des théories dites de Galilée – faisant partie d’une classe de théories appelées Horndeski et au-delà de Horndeski – qui tentent de se débarrasser de l’énergie noire. Ces modifications de la relativité générale introduisent également un champ scalaire. Ces théories sont nombreuses (la théorie de Brans-Dicke, les théories du dilaton, les théories du caméléon et la quintessence en sont quelques-unes), et leurs prédictions varient énormément d’un modèle à l’autre. Mais elles changent toutes l’expansion de l’univers et modifient la force de gravité. La théorie de Horndeski a été proposée pour la première fois par Gregory Horndeski en 1974, mais la communauté des physiciens ne s’y est intéressée que vers 2010. À ce moment-là, dit Zumalacárregui, « Gregory Horndeski a quitté la science et un peintre au Nouveau-Mexique. »
Il existe également des théories autonomes, comme celle du physicien Erik Verlinde. Selon sa théorie, les lois de la gravité découlent naturellement des lois de la thermodynamique tout comme « la façon dont les vagues émergent des molécules d’eau dans l’océan », a déclaré Zumalacárregui. Verlinde a écrit dans un courriel que ses idées ne sont pas une « théorie alternative » de la gravité, mais « la prochaine théorie de la gravité qui contient et transcende la relativité générale d’Einstein ». Mais il est encore en train de développer ses idées. « Mon impression est que la théorie n’est pas encore suffisamment élaborée pour permettre le genre de tests de précision que nous effectuons », a déclaré M. Archibald. Elle est construite sur « des mots fantaisistes », a déclaré Zumalacárregui, « mais pas de cadre mathématique pour calculer des prédictions et faire des tests solides. »
Les prédictions faites par d’autres théories diffèrent d’une certaine manière de celles de la relativité générale. Pourtant, ces différences peuvent être subtiles, ce qui les rend incroyablement difficiles à trouver.
Considérez la fusion des étoiles à neutrons. Au moment où l’observatoire d’ondes gravitationnelles LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) a repéré les ondes gravitationnelles émanant de l’événement, le satellite spatial Fermi a repéré un sursaut gamma au même endroit. Les deux signaux avaient traversé l’univers pendant 130 millions d’années avant d’arriver sur Terre à seulement 1,7 seconde d’intervalle.
Ces observations quasi simultanées ont « brutalement et impitoyablement assassiné » les théories TeVeS, a déclaré Paulo Freire, astrophysicien à l’Institut Max Planck de radioastronomie de Bonn, en Allemagne. « La gravité et les ondes gravitationnelles se propagent à la vitesse de la lumière, avec une précision extrêmement élevée – ce qui n’est pas du tout ce qui était prédit par ces théories. »
Le même sort a frappé certaines théories de Galilée qui ajoutent un champ scalaire supplémentaire pour expliquer l’expansion accélérée de l’univers. Elles prédisent également que les ondes gravitationnelles se propagent plus lentement que la lumière. La fusion des étoiles à neutrons les a également tuées, selon Schmidt.
D’autres limites proviennent de nouveaux systèmes de pulsars. En 2013, Archibald et ses collègues ont découvert un système triple inhabituel : un pulsar et une naine blanche qui orbitent l’un autour de l’autre, avec une deuxième naine blanche en orbite autour de la paire. Ces trois objets existent dans un espace plus petit que l’orbite de la Terre autour du soleil. Selon M. Archibald, cet espace restreint offre des conditions idéales pour tester un aspect crucial de la relativité générale, le principe d’équivalence forte, qui stipule que les objets très denses à forte gravité, tels que les étoiles à neutrons ou les trous noirs, « tombent » de la même manière lorsqu’ils sont placés dans un champ gravitationnel. (Sur Terre, le principe d’équivalence faible, plus familier, stipule que, si l’on ignore la résistance de l’air, une plume et une brique tomberont à la même vitesse.)