In Le Verrier’s impuls om raadselachtige waarnemingen te verklaren door een tot nu toe verborgen object te introduceren, zien sommige hedendaagse onderzoekers parallellen met het verhaal van donkere materie en donkere energie. Al tientallen jaren hebben astronomen opgemerkt dat het gedrag van sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels niet lijkt te kloppen met de voorspellingen van de algemene relativiteit. Donkere materie is één manier om dat gedrag te verklaren. Evenzo kan de versnelde uitdijing van het heelal worden gezien als aangedreven door donkere energie.
Alle pogingen om donkere materie en donkere energie direct te detecteren zijn echter mislukt. Dat feit “laat bij sommigen een vieze smaak achter, bijna zoals de fictieve planeet Vulcan,” zei Leo Stein, een theoretisch natuurkundige aan het California Institute of Technology. “Misschien pakken we het helemaal verkeerd aan?”
Om een alternatieve zwaartekrachttheorie te laten werken, moet deze niet alleen donkere materie en donkere energie weglaten, maar ook de voorspellingen van de algemene relativiteit in alle standaardcontexten reproduceren. “De zaak van alternatieve zwaartekrachttheorieën is een rommelige,” zei Archibald. Sommige zogenaamde vervangers van de algemene relativiteit, zoals de snaartheorie en de lus-kwantumzwaartekracht, bieden geen testbare voorspellingen. Andere “doen voorspellingen die spectaculair fout zijn, dus moeten de theoretici een soort afschermmechanisme bedenken om de foute voorspelling te verbergen op schalen die we wel kunnen testen,” zei ze.
De bekendste alternatieve zwaartekrachttheorieën staan bekend als gemodificeerde Newtoniaanse dynamica, meestal afgekort tot MOND. MOND-achtige theorieën proberen donkere materie te elimineren door onze definitie van zwaartekracht aan te passen. Astronomen hebben al lang geleden waargenomen dat de zwaartekracht van gewone materie niet voldoende lijkt te zijn om snel bewegende sterren binnen hun melkwegstelsels te houden. De zwaartekracht van donkere materie wordt verondersteld het verschil bij te passen. Maar volgens MOND zijn er gewoon twee soorten zwaartekracht. In gebieden waar de zwaartekracht sterk is, gehoorzamen lichamen aan de zwaartekrachtswet van Newton, die stelt dat de zwaartekracht tussen twee objecten afneemt in verhouding tot het kwadraat van de afstand die hen scheidt. Maar in omgevingen met een extreem zwakke zwaartekracht – zoals de buitenste delen van een melkwegstelsel – suggereert MOND dat er een ander soort zwaartekracht in het spel is. Deze zwaartekracht neemt langzamer af met de afstand, wat betekent dat hij minder verzwakt. “Het idee is om de zwaartekracht sterker te maken wanneer hij zwakker zou moeten zijn, zoals aan de rand van een sterrenstelsel,” aldus Zumalacárregui.
Dan is er TeVeS (tensor-vector-scalar), het relativistische neefje van MOND. Terwijl MOND een modificatie is van de Newtoniaanse zwaartekracht, is TeVeS een poging om het algemene idee van MOND om te zetten in een volledige wiskundige theorie die kan worden toegepast op het heelal als geheel – niet alleen op relatief kleine objecten zoals zonnestelsels en melkwegstelsels. Het verklaart ook de rotatiecurves van sterrenstelsels door de zwaartekracht sterker te maken aan hun buitenranden. Maar TeVeS doet dit door de zwaartekracht te vergroten met “scalaire” en “vectoriële” velden die “in wezen de zwaartekracht versterken”, aldus Fabian Schmidt, kosmoloog aan het Max Planck Instituut voor Astrofysica in Garching, Duitsland. Een scalair veld is als de temperatuur in de atmosfeer: Op elk punt heeft het een numerieke waarde, maar geen richting. Een vectorveld, daarentegen, is als de wind: Het heeft zowel een waarde (de windsnelheid) als een richting.
Er zijn ook zogenaamde Galileon-theorieën – deel van een klasse theorieën die Horndeski en beyond-Horndeski worden genoemd – die proberen zich te ontdoen van donkere energie. Deze modificaties van de algemene relativiteit introduceren ook een scalair veld. Er zijn veel van deze theorieën (Brans-Dicke theorie, dilatortheorieën, kameleontheorieën en kwintessens zijn er slechts enkele van), en hun voorspellingen verschillen sterk per model. Maar allemaal veranderen ze de uitdijing van het heelal en veranderen ze de zwaartekracht. De Horndeski theorie werd voor het eerst naar voren gebracht door Gregory Horndeski in 1974, maar de bredere natuurkundige gemeenschap nam er pas rond 2010 kennis van. Tegen die tijd, zei Zumalacárregui, “stopte Gregory Horndeski met wetenschap en werd schilder in New Mexico.”
Er zijn ook op zichzelf staande theorieën, zoals die van de natuurkundige Erik Verlinde. Volgens zijn theorie komen de wetten van de zwaartekracht op natuurlijke wijze voort uit de wetten van de thermodynamica, net als “de manier waarop golven ontstaan uit de watermoleculen in de oceaan”, aldus Zumalacárregui. Verlinde schreef in een e-mail dat zijn ideeën geen “alternatieve theorie” van de zwaartekracht zijn, maar “de volgende theorie van de zwaartekracht die de algemene relativiteit van Einstein bevat en overstijgt”. Maar hij is nog bezig zijn ideeën te ontwikkelen. “Mijn indruk is dat de theorie nog niet voldoende is uitgewerkt om het soort precisietests mogelijk te maken die wij uitvoeren,” zei Archibald. De theorie is gebaseerd op “mooie woorden”, zei Zumalacárregui, “maar geen wiskundig kader om voorspellingen te berekenen en degelijke tests te doen.”
De voorspellingen van andere theorieën wijken op de een of andere manier af van die van de algemene relativiteit. Maar deze verschillen kunnen subtiel zijn, wat ze ongelooflijk moeilijk te vinden maakt.
Neem de fusie van neutronensterren in ogenschouw. Op hetzelfde moment dat het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) de zwaartekrachtgolven ontdekte die van deze gebeurtenis afkomstig waren, ontdekte de Fermi-satelliet in de ruimte een uitbarsting van gammastralen op dezelfde plaats. De twee signalen hadden 130 miljoen jaar door het heelal gereisd voordat ze slechts 1,7 seconde na elkaar op aarde aankwamen.
Deze bijna gelijktijdige waarnemingen hebben de TeVeS-theorieën “brutaal en meedogenloos vermoord”, zei Paulo Freire, een astrofysicus aan het Max Planck Instituut voor Radio Astronomie in Bonn, Duitsland. “Zwaartekracht en zwaartekrachtsgolven planten zich voort met de snelheid van het licht, met extreem hoge precisie – wat helemaal niet is wat door die theorieën werd voorspeld.”
Hetzelfde lot trof sommige Galileontheorieën die een extra scalair veld toevoegen om de versnelde uitdijing van het heelal te verklaren. Deze voorspellen ook dat zwaartekrachtgolven zich langzamer voortplanten dan licht. De neutronensterfusie heeft ook deze theorieën de das omgedaan, aldus Schmidt.
Verdere beperkingen komen van nieuwe pulsarsystemen. In 2013 vonden Archibald en haar collega’s een ongebruikelijk drievoudig systeem: een pulsar en een witte dwerg die om elkaar heen draaien, met een tweede witte dwerg die om het paar heen draait. Deze drie objecten bestaan in een ruimte die kleiner is dan de baan van de aarde rond de zon. De krappe omgeving, aldus Archibald, biedt ideale omstandigheden voor het testen van een cruciaal aspect van de algemene relativiteit, het sterke equivalentieprincipe, dat stelt dat zeer dichte objecten met sterke zwaartekracht, zoals neutronensterren of zwarte gaten, op dezelfde manier “vallen” wanneer ze in een zwaartekrachtsveld worden geplaatst. (Op aarde stelt het meer bekende zwakke equivalentieprincipe dat, als we de luchtweerstand negeren, een veer en een baksteen met dezelfde snelheid zullen vallen.)