În impulsul lui Le Verrier de a explica observațiile derutante prin introducerea unui obiect ascuns până atunci, unii cercetători din zilele noastre văd paralele cu povestea materiei întunecate și a energiei întunecate. Timp de decenii, astronomii au observat că comportamentul galaxiilor și al roiurilor de galaxii nu pare să se potrivească cu predicțiile relativității generale. Materia întunecată este o modalitate de a explica acest comportament. De asemenea, expansiunea accelerată a universului poate fi gândită ca fiind alimentată de o energie întunecată.
Toate încercările de a detecta direct materia întunecată și energia întunecată au eșuat, totuși. Acest fapt „lasă un fel de gust rău în gura unor oameni, aproape ca planeta fictivă Vulcan”, a declarat Leo Stein, fizician teoretician la California Institute of Technology. „Poate că abordăm totul greșit?”
Pentru ca orice teorie alternativă a gravitației să funcționeze, aceasta trebuie nu numai să elimine materia și energia întunecată, ci și să reproducă predicțiile relativității generale în toate contextele standard. „Afacerea teoriilor alternative ale gravitației este una încurcată”, a spus Archibald. Unii potențiali înlocuitori ai relativității generale, cum ar fi teoria corzilor și gravitația cuantică cu bucle, nu oferă predicții testabile. Altele „fac predicții care sunt spectaculos de greșite, astfel încât teoreticienii trebuie să conceapă un fel de mecanism de filtrare pentru a ascunde predicția greșită la scări pe care le putem testa cu adevărat”, a spus ea.
Cele mai cunoscute teorii alternative ale gravitației sunt cunoscute sub numele de dinamica newtoniană modificată, abreviată în mod obișnuit MOND. Teoriile de tip MOND încearcă să elimine materia întunecată prin modificarea definiției noastre a gravitației. Astronomii au observat de mult timp că forța gravitațională datorată materiei obișnuite nu pare să fie suficientă pentru a menține stelele în mișcare rapidă în interiorul galaxiilor lor. Se presupune că atracția gravitațională a materiei întunecate ar trebui să compenseze diferența. Dar, conform MOND, există pur și simplu două tipuri de gravitație. În regiunile în care forța de gravitație este puternică, corpurile se supun legii gravitaționale a lui Newton, care afirmă că forța gravitațională dintre două obiecte scade proporțional cu pătratul distanței care le separă. Dar în mediile cu gravitație extrem de slabă – cum ar fi părțile exterioare ale unei galaxii – MOND sugerează că un alt tip de gravitație este în joc. Această gravitație scade mai lent odată cu distanța, ceea ce înseamnă că nu se slăbește la fel de mult. „Ideea este de a face gravitația mai puternică atunci când ar trebui să fie mai slabă, cum ar fi la periferia unei galaxii”, a spus Zumalacárregui.
Apoi există TeVeS (tensor-vector-scalar), vărul relativist al MOND. În timp ce MOND este o modificare a gravitației newtoniene, TeVeS este o încercare de a lua ideea generală a MOND și de a o transforma într-o teorie matematică completă care poate fi aplicată universului ca întreg – nu doar la obiecte relativ mici, cum ar fi sistemele solare și galaxiile. Aceasta explică, de asemenea, curbele de rotație ale galaxiilor, făcând ca gravitația să fie mai puternică la periferia acestora. Dar TeVeS face acest lucru mărind gravitația cu câmpuri „scalare” și „vectoriale” care „amplifică în esență gravitația”, a declarat Fabian Schmidt, cosmolog la Institutul Max Planck pentru Astrofizică din Garching, Germania. Un câmp scalar este ca temperatura în întreaga atmosferă: În fiecare punct are o valoare numerică, dar nu și o direcție. Un câmp vectorial, în schimb, este ca vântul: Are atât o valoare (viteza vântului), cât și o direcție.
Există, de asemenea, așa-numitele teorii Galileon – parte a unei clase de teorii numite Horndeski și dincolo de Horndeski – care încearcă să scape de energia întunecată. Aceste modificări ale relativității generale introduc, de asemenea, un câmp scalar. Există multe dintre aceste teorii (teoria Brans-Dicke, teoriile dilatonului, teoriile cameleonului și chintessence sunt doar câteva dintre ele), iar predicțiile lor variază foarte mult de la un model la altul. Dar toate acestea schimbă expansiunea universului și modifică forța de gravitație. Teoria Horndeski a fost prezentată pentru prima dată de Gregory Horndeski în 1974, dar comunitatea fizică mai largă a luat act de ea abia în jurul anului 2010. Până atunci, a spus Zumalacárregui, „Gregory Horndeski a renunțat la știință și la un pictor în New Mexico.”
Există, de asemenea, teorii de sine stătătoare, cum ar fi cea a fizicianului Erik Verlinde. Conform teoriei sale, legile gravitației apar în mod natural din legile termodinamicii, la fel ca „modul în care valurile apar din moleculele de apă din ocean”, a spus Zumalacárregui. Verlinde a scris într-un e-mail că ideile sale nu sunt o „teorie alternativă” a gravitației, ci „următoarea teorie a gravitației care conține și transcende relativitatea generală a lui Einstein”. Dar el încă își dezvoltă ideile. „Impresia mea este că teoria nu este încă suficient de elaborată pentru a permite genul de teste de precizie pe care le efectuăm noi”, a spus Archibald. Este construită pe „cuvinte fanteziste”, a spus Zumalacárregui, „dar nu există un cadru matematic pentru a calcula predicții și a face teste solide.”
Predicțiile făcute de alte teorii diferă într-un fel de cele ale relativității generale. Totuși, aceste diferențe pot fi subtile, ceea ce le face incredibil de greu de găsit.
Considerați fuziunea stelelor neutronice. În același timp în care Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) a reperat undele gravitaționale emanate de eveniment, satelitul spațial Fermi a reperat o explozie de raze gamma din aceeași locație. Cele două semnale au călătorit prin univers timp de 130 de milioane de ani înainte de a ajunge pe Pământ la doar 1,7 secunde distanță.
Aceste observații aproape simultane „au ucis brutal și nemilos” teoriile TeVeS, a declarat Paulo Freire, astrofizician la Institutul Max Planck pentru Radioastronomie din Bonn, Germania. „Gravitația și undele gravitaționale se propagă cu viteza luminii, cu o precizie extrem de mare – ceea ce nu este deloc ceea ce a fost prezis de acele teorii.”
Aceeași soartă a avut și unele teorii Galileon care adaugă un câmp scalar suplimentar pentru a explica expansiunea accelerată a universului. Acestea prezic, de asemenea, că undele gravitaționale se propagă mai încet decât lumina. Fuziunea stelelor neutronice le-a omorât și pe acestea, a spus Schmidt.
Limitele suplimentare vin de la noile sisteme de pulsari. În 2013, Archibald și colegii săi au descoperit un sistem triplu neobișnuit: un pulsar și o pitică albă care orbitează unul în jurul celuilalt, cu o a doua pitică albă care orbitează perechea. Aceste trei obiecte există într-un spațiu mai mic decât orbita Pământului în jurul Soarelui. Mediul restrâns, a spus Archibald, oferă condiții ideale pentru testarea unui aspect crucial al relativității generale numit principiul echivalenței puternice, care afirmă că obiectele foarte dense cu gravitație puternică, cum ar fi stelele neutronice sau găurile negre, „cad” în același mod atunci când sunt plasate într-un câmp gravitațional. (Pe Pământ, principiul mai familiar al echivalenței slabe afirmă că, dacă ignorăm rezistența aerului, o pană și o cărămidă vor cădea cu aceeași viteză)
.