I Le Verriers impuls att förklara förbryllande observationer genom att introducera ett hittills dolt objekt ser vissa moderna forskare paralleller till historien om mörk materia och mörk energi. I årtionden har astronomer lagt märke till att beteendet hos galaxer och galaxhopar inte verkar stämma överens med förutsägelserna i den allmänna relativitetsteorin. Mörk materia är ett sätt att förklara detta beteende. På samma sätt kan man tänka sig att universums accelererande expansion drivs av en mörk energi.
Alla försök att direkt upptäcka mörk materia och mörk energi har dock misslyckats. Detta faktum ”lämnar en slags dålig smak i vissa människors munnar, nästan som den fiktiva planeten Vulcan”, säger Leo Stein, teoretisk fysiker vid California Institute of Technology. ”Vi kanske gör helt fel?”
För att en alternativ gravitationsteori ska fungera måste den inte bara göra sig av med mörk materia och mörk energi, utan också reproducera förutsägelserna i den allmänna relativitetsteorin i alla standardsammanhang. ”Det är en rörig affär med alternativa gravitationsteorier”, säger Archibald. Vissa tänkbara ersättare för den allmänna relativitetsteorin, som strängteori och loopkvantgravitation, erbjuder inga testbara förutsägelser. Andra ”gör förutsägelser som är spektakulärt felaktiga, så teoretikerna måste utforma någon form av screeningmekanism för att dölja den felaktiga förutsägelsen på skalor som vi faktiskt kan testa”, sade hon.
De mest kända alternativa gravitationsteorierna är kända som modifierad newtonsk dynamik, vanligen förkortad till MOND. Teorier av MOND-typ försöker göra sig av med mörk materia genom att justera vår definition av gravitation. Astronomer har länge observerat att den gravitationskraft som beror på vanlig materia inte verkar vara tillräcklig för att hålla kvar snabbt rörliga stjärnor i sina galaxer. Den mörka materiens gravitationskraft antas kompensera skillnaden. Men enligt MOND finns det helt enkelt två typer av gravitation. I områden där gravitationen är stark följer kroppar Newtons gravitationslag, som säger att gravitationskraften mellan två föremål minskar i proportion till kvadraten på det avstånd som skiljer dem åt. Men i miljöer med extremt svag gravitation – som de yttre delarna av en galax – föreslår MOND att en annan typ av gravitation spelar in. Denna gravitation minskar långsammare med avståndet, vilket innebär att den inte försvagas lika mycket. ”Tanken är att göra gravitationen starkare när den borde vara svagare, som i utkanten av en galax”, säger Zumalacárregui.
Då finns TeVeS (tensor-vector-scalar), MOND:s relativistiska kusin. Medan MOND är en modifiering av Newtons gravitation är TeVeS ett försök att ta den allmänna idén med MOND och göra den till en fullständig matematisk teori som kan tillämpas på universum som helhet – inte bara på relativt små objekt som solsystem och galaxer. Den förklarar också galaxernas rotationskurvor genom att göra gravitationen starkare i deras utkanter. Men TeVeS gör det genom att förstärka gravitationen med ”skalar-” och ”vektorfält” som ”i huvudsak förstärker gravitationen”, säger Fabian Schmidt, kosmolog vid Max Planck-institutet för astrofysik i Garching, Tyskland. Ett skalärt fält är som temperaturen i hela atmosfären: I varje punkt har det ett numeriskt värde men ingen riktning. Ett vektorfält är däremot som vinden: Det har både ett värde (vindhastigheten) och en riktning.
Det finns också så kallade Galileonteorier – en del av en klass av teorier som kallas Horndeski och beyond-Horndeski – som försöker göra sig av med mörk energi. Dessa modifieringar av den allmänna relativitetsteorin introducerar också ett skalärt fält. Det finns många av dessa teorier (Brans-Dicke-teorin, dilatanteorier, kameleonteorier och kvintessens är bara några av dem), och deras förutsägelser varierar kraftigt mellan olika modeller. Men de förändrar alla universums expansion och ändrar gravitationskraften. Horndeski-teorin lades först fram av Gregory Horndeski 1974, men det var först runt 2010 som den uppmärksammades av det bredare fysiksamhället. Vid det laget, sade Zumalacárregui, ”slutade Gregory Horndeski med vetenskapen och blev målare i New Mexico.”
Det finns också fristående teorier, som den av fysikern Erik Verlinde. Enligt hans teori uppstår gravitationslagarna naturligt ur termodynamikens lagar precis som ”det sätt på vilket vågor uppstår ur vattenmolekylerna i havet”, sade Zumalacárregui. Verlinde skrev i ett e-postmeddelande att hans idéer inte är en ”alternativ teori” om gravitation, utan ”nästa gravitationsteori som innehåller och överskrider Einsteins allmänna relativitetsteori”. Men han håller fortfarande på att utveckla sina idéer. ”Mitt intryck är att teorin fortfarande inte är tillräckligt utarbetad för att möjliggöra den typ av precisionstester som vi utför”, sade Archibald. Den bygger på ”fina ord”, sade Zumalacárregui, ”men ingen matematisk ram för att beräkna förutsägelser och göra solida tester.”
De förutsägelser som görs av andra teorier skiljer sig på något sätt från den allmänna relativitetsteorin. Ändå kan dessa skillnader vara subtila, vilket gör dem otroligt svåra att hitta.
Tänk på sammanslagningen av neutronstjärnor. Samtidigt som Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) upptäckte gravitationsvågorna som utgick från händelsen, upptäckte den rymdbaserade satelliten Fermi en gammastrålningsutbrott från samma plats. De två signalerna hade färdats genom universum i 130 miljoner år innan de nådde jorden med bara 1,7 sekunders mellanrum.
Dessa nästan samtidiga observationer ”mördade brutalt och obarmhärtigt” TeVeS-teorierna, säger Paulo Freire, astrofysiker vid Max Planck-institutet för radioastronomi i Bonn, Tyskland. ”Gravitation och gravitationsvågor utbreder sig med ljusets hastighet, med extremt hög precision – vilket inte alls är vad som förutspåddes av dessa teorier.”
Samma öde drabbade vissa Galileon-teorier som lägger till ett extra skalärt fält för att förklara universums accelererande expansion. Dessa förutspår också att gravitationsvågor sprider sig långsammare än ljuset. Neutronstjärnsammanslagningen dödade även dessa, sade Schmidt.
Framtida begränsningar kommer från nya pulsarsystem. År 2013 hittade Archibald och hennes kollegor ett ovanligt trippelsystem: en pulsar och en vit dvärg som kretsar kring varandra, med en andra vit dvärg som kretsar kring paret. Dessa tre objekt existerar i ett utrymme som är mindre än jordens bana runt solen. Den snäva miljön, sade Archibald, erbjuder idealiska förhållanden för att testa en viktig aspekt av den allmänna relativitetsteorin som kallas den starka ekvivalensprincipen, som säger att mycket täta objekt med stark gravitation, som neutronstjärnor eller svarta hål, ”faller” på samma sätt när de placeras i ett gravitationsfält. (På jorden säger den mer välkända svaga ekvivalensprincipen att om vi bortser från luftmotståndet kommer en fjäder och en tegelsten att falla med samma hastighet)
.