W impulsie Le Verriera do wyjaśnienia zagadkowych obserwacji poprzez wprowadzenie ukrytego wcześniej obiektu, niektórzy współcześni badacze widzą paralele do historii ciemnej materii i ciemnej energii. Od dziesięcioleci astronomowie zauważają, że zachowanie galaktyk i gromad galaktyk nie pasuje do przewidywań ogólnej teorii względności. Ciemna materia jest jednym ze sposobów na wyjaśnienie tego zachowania. Podobnie, przyspieszająca ekspansja wszechświata może być postrzegana jako napędzana przez ciemną energię.
Wszystkie próby bezpośredniego wykrycia ciemnej materii i ciemnej energii nie powiodły się, jednakże. Fakt ten „pozostawia zły smak w ustach niektórych ludzi, prawie jak fikcyjna planeta Vulcan”, powiedział Leo Stein, fizyk teoretyczny z California Institute of Technology. „Może źle do tego podchodzimy?”
Aby jakakolwiek alternatywna teoria grawitacji zadziałała, musi nie tylko pozbyć się ciemnej materii i ciemnej energii, ale także odtworzyć przewidywania ogólnej teorii względności we wszystkich standardowych kontekstach. „Biznes alternatywnych teorii grawitacji jest nieuporządkowany,” powiedział Archibald. Niektóre niedoszłe zamienniki ogólnej teorii względności, jak teoria strun i pętlowa grawitacja kwantowa, nie oferują sprawdzalnych przewidywań. Inne „dokonują przewidywań, które są spektakularnie błędne, więc teoretycy muszą opracować jakiś rodzaj mechanizmu ekranującego, aby ukryć błędne przewidywania w skalach, które faktycznie możemy przetestować”, powiedziała.
Najbardziej znane alternatywne teorie grawitacji są znane jako zmodyfikowana dynamika newtonowska, powszechnie skracana do MOND. Teorie typu MOND próbują pozbyć się ciemnej materii poprzez zmianę naszej definicji grawitacji. Astronomowie od dawna obserwują, że siła grawitacyjna pochodząca od zwykłej materii nie wydaje się być wystarczająca do utrzymania szybko poruszających się gwiazd wewnątrz ich galaktyk. Przyjmuje się, że grawitacyjne przyciąganie ciemnej materii wypełnia tę różnicę. Jednak zgodnie z MOND istnieją po prostu dwa rodzaje grawitacji. W regionach, gdzie siła grawitacji jest silna, ciała przestrzegają prawa grawitacji Newtona, które mówi, że siła grawitacji pomiędzy dwoma obiektami maleje proporcjonalnie do kwadratu odległości, która je dzieli. Jednak w środowiskach o wyjątkowo słabej grawitacji – takich jak zewnętrzne części galaktyk – MOND sugeruje, że w grę wchodzi inny rodzaj grawitacji. Ta grawitacja zmniejsza się wolniej wraz z odległością, co oznacza, że nie słabnie tak bardzo. „Pomysł polega na wzmocnieniu grawitacji tam, gdzie powinna być słabsza, jak na obrzeżach galaktyki,” powiedział Zumalacárregui.
Jest też TeVeS (tensor-vector-scalar), relatywistyczny kuzyn MOND. Podczas gdy MOND jest modyfikacją Newtonowskiej grawitacji, TeVeS jest próbą wzięcia ogólnej idei MOND i uczynienia z niej pełnej matematycznej teorii, która może być zastosowana do wszechświata jako całości – nie tylko do stosunkowo małych obiektów, takich jak układy słoneczne i galaktyki. Wyjaśnia ona również krzywe rotacji galaktyk poprzez wzmocnienie grawitacji na ich obrzeżach. Ale TeVeS robi to poprzez wzmocnienie grawitacji polami „skalarnymi” i „wektorowymi”, które „zasadniczo wzmacniają grawitację”, powiedział Fabian Schmidt, kosmolog z Instytutu Astrofizyki Maxa Plancka w Garching, Niemcy. Pole skalarne jest jak temperatura w całej atmosferze: W każdym punkcie ma ono wartość liczbową, ale nie ma kierunku. Pole wektorowe, dla kontrastu, jest jak wiatr: Ma zarówno wartość (prędkość wiatru), jak i kierunek.
Istnieją również tak zwane teorie Galileona – część klasy teorii zwanych Horndeski i beyond-Horndeski – które próbują pozbyć się ciemnej energii. Te modyfikacje ogólnej teorii względności również wprowadzają pole skalarne. Istnieje wiele takich teorii (teoria Bransa-Dicke’a, teoria dilatonu, teoria kameleona i kwintesencji to tylko niektóre z nich), a ich przewidywania różnią się szalenie w zależności od modelu. Jednak wszystkie one zmieniają ekspansję wszechświata i wpływają na siłę grawitacji. Teoria Horndeskiego została po raz pierwszy wysunięta przez Gregory’ego Horndeskiego w 1974 roku, ale szersza społeczność fizyków zwróciła na nią uwagę dopiero około 2010 roku. Do tego czasu, Zumalacárregui powiedział, „Gregory Horndeski rzucił naukę i został malarzem w Nowym Meksyku.”
Istnieją również samodzielne teorie, jak ta fizyka Erika Verlinde. Według jego teorii, prawa grawitacji powstają naturalnie z praw termodynamiki tak jak „sposób, w jaki fale powstają z cząsteczek wody w oceanie”, powiedział Zumalacárregui. Verlinde napisał w e-mailu, że jego pomysły nie są „alternatywną teorią” grawitacji, ale „następną teorią grawitacji, która zawiera i wykracza poza ogólną względność Einsteina”. Ale on wciąż rozwija swoje pomysły. „Moje wrażenie jest takie, że teoria nie jest jeszcze wystarczająco dopracowana, aby pozwolić na takie precyzyjne testy, jakie przeprowadzamy” – powiedział Archibald. Jest zbudowana na „wymyślnych słowach”, powiedział Zumalacárregui, „ale nie ma matematycznych ram, aby obliczyć przewidywania i zrobić solidne testy.”
Przewidywania dokonane przez inne teorie różnią się w jakiś sposób od tych z ogólnej teorii względności. Jednak te różnice mogą być subtelne, co czyni je niewiarygodnie trudnymi do znalezienia.
Pomyślmy o fuzji gwiazd neutronowych. W tym samym czasie, gdy Laserowe Interferometryczne Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (LIGO) zauważyło fale grawitacyjne emanujące z tego wydarzenia, kosmiczny satelita Fermi zauważył wybuch promieniowania gamma z tego samego miejsca. Te dwa sygnały podróżowały przez wszechświat przez 130 milionów lat zanim dotarły na Ziemię w odstępie zaledwie 1,7 sekundy.
Te niemal jednoczesne obserwacje „brutalnie i bezlitośnie zamordowały” teorie TeVeS, powiedział Paulo Freire, astrofizyk z Max Planck Institute for Radio Astronomy w Bonn, Niemcy. „Grawitacja i fale grawitacyjne rozchodzą się z prędkością światła, z niezwykle wysoką precyzją – co w ogóle nie jest tym, co przewidywały te teorie.”
Ten sam los spotkał niektóre teorie Galileona, które dodają dodatkowe pole skalarne, aby wyjaśnić przyspieszoną ekspansję wszechświata. Przewidują one również, że fale grawitacyjne rozchodzą się wolniej niż światło. Fuzja gwiazd neutronowych również je zabiła, powiedział Schmidt.
Dalsze ograniczenia pochodzą z nowych układów pulsarowych. W 2013 roku Archibald i jej koledzy znaleźli niezwykły układ potrójny: pulsar i biały karzeł, które orbitują jeden wokół drugiego, z drugim białym karłem orbitującym wokół pary. Te trzy obiekty istnieją w przestrzeni mniejszej niż orbita Ziemi wokół Słońca. To ciasne otoczenie, powiedział Archibald, oferuje idealne warunki do testowania kluczowego aspektu ogólnej teorii względności zwanego silną zasadą równoważności, która mówi, że bardzo gęste obiekty o silnej grawitacji, takie jak gwiazdy neutronowe lub czarne dziury „spadają” w ten sam sposób, gdy znajdą się w polu grawitacyjnym. (Na Ziemi, bardziej znana słaba zasada równoważności mówi, że jeśli zignorujemy opór powietrza, piórko i cegła będą spadać w tym samym tempie.)
.