Le Verrier lendületében, hogy egy eddig rejtett tárgy bevezetésével magyarázza meg a rejtélyes megfigyeléseket, egyes mai kutatók párhuzamot látnak a sötét anyag és a sötét energia történetével. A csillagászoknak évtizedek óta feltűnt, hogy a galaxisok és galaxishalmazok viselkedése látszólag nem felel meg az általános relativitáselmélet jóslatainak. A sötét anyag az egyik módja annak, hogy megmagyarázzák ezt a viselkedést. Hasonlóképpen, a világegyetem gyorsuló tágulását is úgy lehet elképzelni, mint amit egy sötét energia hajt.
A sötét anyag és a sötét energia közvetlen kimutatására tett kísérletek azonban mindeddig kudarcot vallottak. Ez a tény “egyfajta rossz szájízt hagy néhány ember szájában, majdnem úgy, mint a kitalált Vulcan bolygó” – mondta Leo Stein, a Kaliforniai Technológiai Intézet elméleti fizikusa. “Lehet, hogy rosszul csináljuk?”
Hogy bármely alternatív gravitációs elmélet működjön, annak nemcsak a sötét anyagot és a sötét energiát kell eltüntetnie, hanem az általános relativitáselmélet előrejelzéseit is reprodukálnia kell a standard összefüggésekben. “Az alternatív gravitációs elméletek ügye egy zűrös dolog” – mondta Archibald. Az általános relativitáselmélet néhány lehetséges helyettesítője, mint például a húrelmélet és a hurokkvantumgravitáció, nem kínál tesztelhető előrejelzéseket. Mások “olyan előrejelzéseket tesznek, amelyek látványosan tévesek, így az elméletalkotóknak ki kell találniuk valamilyen szűrőmechanizmust, hogy elrejtsék a téves előrejelzést olyan skálákon, amelyeket valóban tesztelni tudunk” – mondta.
A legismertebb alternatív gravitációs elméletek a módosított newtoni dinamika néven ismertek, amelyet általában MOND-nak rövidítenek. A MOND-típusú elméletek a gravitáció definíciójának módosításával próbálják megszüntetni a sötét anyagot. A csillagászok már régóta megfigyelték, hogy a közönséges anyagból származó gravitációs erő nem tűnik elegendőnek ahhoz, hogy a gyorsan mozgó csillagokat galaxisukban tartsa. Feltételezik, hogy a sötét anyag gravitációs vonzása pótolja a különbséget. A MOND szerint azonban egyszerűen kétféle gravitáció létezik. Azokban a régiókban, ahol a gravitációs erő erős, a testek a newtoni gravitációs törvénynek engedelmeskednek, amely kimondja, hogy a két tárgy közötti gravitációs erő az őket elválasztó távolság négyzetével arányosan csökken. A MOND szerint azonban a rendkívül gyenge gravitációs erővel rendelkező környezetekben – például egy galaxis külső részein – a gravitáció egy másik típusa érvényesül. Ez a gravitáció lassabban csökken a távolsággal, ami azt jelenti, hogy nem gyengül annyira. “Az ötlet az, hogy a gravitáció erősebbé válik ott, ahol gyengébbnek kellene lennie, például egy galaxis peremén” – mondta Zumalacárregui.
Ezután ott van a TeVeS (tensor-vektor-skalár), a MOND relativisztikus unokatestvére. Míg a MOND a newtoni gravitáció módosítása, addig a TeVeS kísérlet arra, hogy a MOND általános gondolatát egy teljes matematikai elméletté alakítsa, amely a világegyetem egészére alkalmazható – nem csak olyan viszonylag kis objektumokra, mint a naprendszerek és galaxisok. A galaxisok forgási görbéit is megmagyarázza azzal, hogy a gravitációt a galaxisok peremén erősebbé teszi. A TeVeS azonban ezt úgy teszi, hogy a gravitációt “skalár” és “vektor” mezőkkel egészíti ki, amelyek “lényegében felerősítik a gravitációt” – mondta Fabian Schmidt, a garchingi Max Planck Asztrofizikai Intézet kozmológusa. A skalármező olyan, mint a hőmérséklet az egész légkörben: Minden ponton van egy számértéke, de nincs iránya. A vektormező ezzel szemben olyan, mint a szél: Van egy értéke (a szél sebessége) és egy iránya is.
Léteznek úgynevezett Galileon-elméletek is – amelyek a Horndeski és a Horndeskin túli elméletek osztályába tartoznak -, és amelyek megpróbálnak megszabadulni a sötét energiától. Az általános relativitáselmélet ezen módosításai is bevezetnek egy skalármezőt. Sok ilyen elmélet létezik (a Brans-Dicke-elmélet, a dilaton-elméletek, a kaméleon-elméletek és a kvintesszencia csak néhány közülük), és előrejelzéseik modellenként nagyon eltérőek. De mindegyik megváltoztatja az univerzum tágulását és módosítja a gravitációs erőt. A Horndeski-elméletet először Gregory Horndeski terjesztette elő 1974-ben, de a fizikusok szélesebb köre csak 2010 körül figyelt fel rá. Akkorra – mondta Zumalacárregui – “Gregory Horndeski kilépett a tudományból és festőnek állt Új-Mexikóban.”
Léteznek önálló elméletek is, mint például Erik Verlinde fizikusé. Az ő elmélete szerint a gravitáció törvényei természetesen a termodinamika törvényeiből erednek, ahogyan “az óceánban a hullámok a víz molekuláiból keletkeznek” – mondta Zumalacárregui. Verlinde e-mailben azt írta, hogy elképzelései nem a gravitáció “alternatív elmélete”, hanem “a gravitáció következő elmélete, amely tartalmazza és meghaladja Einstein általános relativitáselméletét”. De még mindig fejleszti az elképzeléseit. “Az a benyomásom, hogy az elmélet még nincs eléggé kidolgozva ahhoz, hogy lehetővé tegye az általunk végzett precíziós teszteket” – mondta Archibald. “Szép szavakra épül”, mondta Zumalacárregui, “de nincs matematikai keret az előrejelzések kiszámításához és szilárd tesztek elvégzéséhez.”
A többi elmélet előrejelzései valamilyen módon eltérnek az általános relativitáselméletétől. Ezek az eltérések azonban finomak lehetnek, ami hihetetlenül nehézzé teszi a megtalálásukat.
Mondjuk a neutroncsillagok összeolvadását. Ugyanabban az időben, amikor a Lézer Interferométeres Gravitációs Hullám Obszervatórium (LIGO) észlelte az eseményből származó gravitációs hullámokat, az űrbe telepített Fermi műhold ugyanarról a helyről gammasugár-kitörést észlelt. A két jel 130 millió évig utazott a világegyetemben, mielőtt a Földre érkezett volna, mindössze 1,7 másodperc különbséggel.
Ezek a szinte egyidejű megfigyelések “brutálisan és könyörtelenül meggyilkolták” a TeVeS elméleteket, mondta Paulo Freire, a bonni Max Planck Rádiócsillagászati Intézet asztrofizikusa. “A gravitáció és a gravitációs hullámok fénysebességgel terjednek, rendkívül nagy pontossággal – ami egyáltalán nem az, amit ezek az elméletek megjósoltak.”
Ez a sors jutott néhány Galileon-elméletnek is, amelyek egy extra skalármezőt adnak hozzá, hogy megmagyarázzák az univerzum felgyorsult tágulását. Ezek azt is megjósolják, hogy a gravitációs hullámok lassabban terjednek, mint a fény. Schmidt szerint a neutroncsillagok összeolvadása ezeknek is véget vetett.
A további korlátokat az új pulzárrendszerek jelentik. Archibald és kollégái 2013-ban egy szokatlan hármas rendszert találtak: egy pulzár és egy fehér törpe kering egymás körül, és egy második fehér törpe kering a pár körül. Ez a három objektum a Föld Nap körüli pályájánál kisebb térben létezik. A szűk környezet, mondta Archibald, ideális feltételeket kínál az általános relativitáselmélet egy fontos aspektusának, az erős ekvivalencia elvének tesztelésére, amely szerint a nagyon sűrű, erős gravitációjú objektumok, például a neutroncsillagok vagy a fekete lyukak ugyanúgy “esnek”, ha gravitációs mezőbe kerülnek. (A Földön az ismertebb gyenge ekvivalenciaelv azt mondja ki, hogy ha figyelmen kívül hagyjuk a légellenállást, akkor egy toll és egy tégla ugyanolyan sebességgel esik.)