Nell’impulso di Le Verrier di spiegare le osservazioni sconcertanti introducendo un oggetto finora nascosto, alcuni ricercatori moderni vedono paralleli con la storia della materia e dell’energia oscura. Per decenni, gli astronomi hanno notato che il comportamento delle galassie e degli ammassi di galassie non sembra adattarsi alle previsioni della relatività generale. La materia oscura è un modo per spiegare questo comportamento. Allo stesso modo, l’espansione accelerata dell’universo può essere pensata come alimentata da un’energia oscura.
Tutti i tentativi di rilevare direttamente la materia e l’energia oscura sono falliti, tuttavia. Questo fatto “lascia un po’ di cattivo gusto nella bocca di alcune persone, quasi come il pianeta immaginario Vulcano”, ha detto Leo Stein, un fisico teorico del California Institute of Technology. “Forse stiamo sbagliando tutto?”
Perché qualsiasi teoria alternativa della gravità funzioni, deve non solo eliminare la materia e l’energia oscura, ma anche riprodurre le previsioni della relatività generale in tutti i contesti standard. “Il business delle teorie alternative della gravità è un affare disordinato”, ha detto Archibald. Alcuni aspiranti sostituti della relatività generale, come la teoria delle stringhe e la gravità quantistica a loop, non offrono previsioni verificabili. Altri “fanno previsioni che sono spettacolarmente sbagliate, così i teorici devono escogitare una sorta di meccanismo di screening per nascondere la previsione sbagliata su scale che possiamo effettivamente testare”, ha detto.
Le più note teorie alternative della gravità sono note come dinamiche newtoniane modificate, comunemente abbreviate in MOND. Le teorie di tipo MOND tentano di eliminare la materia oscura modificando la nostra definizione di gravità. Gli astronomi hanno da tempo osservato che la forza gravitazionale dovuta alla materia ordinaria non sembra essere sufficiente a mantenere le stelle in rapido movimento all’interno delle loro galassie. Si presume che l’attrazione gravitazionale della materia oscura compensi la differenza. Ma secondo la MOND, ci sono semplicemente due tipi di gravità. Nelle regioni dove la forza di gravità è forte, i corpi obbediscono alla legge di gravità di Newton, che afferma che la forza gravitazionale tra due oggetti diminuisce in proporzione al quadrato della distanza che li separa. Ma in ambienti di gravità estremamente debole – come le parti esterne di una galassia – la MOND suggerisce che un altro tipo di gravità è in gioco. Questa gravità diminuisce più lentamente con la distanza, il che significa che non si indebolisce così tanto. “L’idea è di rendere la gravità più forte quando dovrebbe essere più debole, come alla periferia di una galassia”, ha detto Zumalacárregui.
Poi c’è TeVeS (tensore-vettore-scalare), il cugino relativista di MOND. Mentre la MOND è una modifica della gravità newtoniana, TeVeS è un tentativo di prendere l’idea generale della MOND e trasformarla in una teoria matematica completa che può essere applicata all’universo nel suo complesso – non solo a oggetti relativamente piccoli come i sistemi solari e le galassie. Spiega anche le curve di rotazione delle galassie rendendo la gravità più forte alla loro periferia. Ma TeVeS lo fa aumentando la gravità con campi “scalari” e “vettoriali” che “essenzialmente amplificano la gravità”, ha detto Fabian Schmidt, un cosmologo del Max Planck Institute for Astrophysics a Garching, Germania. Un campo scalare è come la temperatura in tutta l’atmosfera: In ogni punto ha un valore numerico ma nessuna direzione. Un campo vettoriale, al contrario, è come il vento: Ha sia un valore (la velocità del vento) che una direzione.
Ci sono anche le cosiddette teorie di Galilei – parte di una classe di teorie chiamate Horndeski e beyond-Horndeski – che tentano di sbarazzarsi dell’energia oscura. Queste modifiche della relatività generale introducono anche un campo scalare. Ci sono molte di queste teorie (la teoria di Brans-Dicke, le teorie del dilatatore, le teorie del camaleonte e la quintessenza sono solo alcune di esse), e le loro previsioni variano selvaggiamente tra i modelli. Ma tutte cambiano l’espansione dell’universo e modificano la forza di gravità. La teoria di Horndeski è stata proposta per la prima volta da Gregory Horndeski nel 1974, ma la comunità fisica più ampia ne ha preso nota solo intorno al 2010. A quel punto, ha detto Zumalacárregui, “Gregory Horndeski ha lasciato la scienza e si è messo a fare il pittore nel New Mexico.”
Ci sono anche teorie autonome, come quella del fisico Erik Verlinde. Secondo la sua teoria, le leggi della gravità nascono naturalmente dalle leggi della termodinamica proprio come “il modo in cui le onde emergono dalle molecole d’acqua nell’oceano”, ha detto Zumalacárregui. Verlinde ha scritto in una e-mail che le sue idee non sono una “teoria alternativa” della gravità, ma “la prossima teoria della gravità che contiene e trascende la relatività generale di Einstein”. Ma sta ancora sviluppando le sue idee. “La mia impressione è che la teoria non sia ancora sufficientemente elaborata per permettere il tipo di test di precisione che effettuiamo”, ha detto Archibald. È costruita su “parole fantasiose”, ha detto Zumalacárregui, “ma nessun quadro matematico per calcolare le previsioni e fare test solidi”.”
Le previsioni fatte da altre teorie differiscono in qualche modo da quelle della relatività generale. Eppure queste differenze possono essere sottili, il che le rende incredibilmente difficili da trovare.
Considera la fusione di stelle di neutroni. Nello stesso momento in cui il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ha individuato le onde gravitazionali emanate dall’evento, il satellite spaziale Fermi ha individuato un Gamma Ray Burst dalla stessa posizione. I due segnali avevano viaggiato attraverso l’universo per 130 milioni di anni prima di arrivare sulla Terra a soli 1,7 secondi l’uno dall’altro.
Queste osservazioni quasi simultanee “hanno brutalmente e spietatamente ucciso” le teorie TeVeS, ha detto Paulo Freire, un astrofisico presso l’Istituto Max Planck per la radioastronomia a Bonn, in Germania. “La gravità e le onde gravitazionali si propagano alla velocità della luce, con una precisione estremamente elevata – che non è affatto ciò che è stato previsto da queste teorie.”
La stessa sorte è toccata ad alcune teorie galileiane che aggiungono un campo scalare supplementare per spiegare l’espansione accelerata dell’universo. Queste teorie prevedono anche che le onde gravitazionali si propagano più lentamente della luce. La fusione di stelle di neutroni ha ucciso anche quelle, ha detto Schmidt.
Altri limiti vengono da nuovi sistemi di pulsar. Nel 2013, Archibald e i suoi colleghi hanno trovato un insolito sistema triplo: una pulsar e una nana bianca che orbitano l’una attorno all’altra, con una seconda nana bianca che orbita attorno alla coppia. Questi tre oggetti esistono in uno spazio più piccolo dell’orbita terrestre intorno al sole. L’impostazione stretta, ha detto Archibald, offre le condizioni ideali per testare un aspetto cruciale della relatività generale chiamato principio di equivalenza forte, che afferma che gli oggetti molto densi a gravità forte come le stelle di neutroni o i buchi neri “cadono” allo stesso modo quando sono posti in un campo gravitazionale. (Sulla Terra, il più familiare principio di equivalenza debole afferma che, se ignoriamo la resistenza dell’aria, una piuma e un mattone cadranno alla stessa velocità).