No impulso de Le Verrier para explicar as observações enigmáticas, introduzindo um objecto até agora escondido, alguns investigadores modernos vêem paralelos à história da matéria negra e da energia negra. Por décadas, astrônomos têm notado que o comportamento de galáxias e aglomerados de galáxias não parece se encaixar nas previsões da relatividade geral. A matéria escura é uma forma de explicar esse comportamento. Da mesma forma, a expansão acelerada do Universo pode ser pensada como sendo alimentada por uma energia escura.
Todas as tentativas de detectar diretamente a matéria escura e a energia escura falharam, entretanto. Esse fato “deixa um gosto ruim na boca de algumas pessoas, quase como o planeta fictício Vulcano”, disse Leo Stein, um físico teórico do Instituto de Tecnologia da Califórnia. “Talvez estejamos a fazer tudo errado?”
Para que qualquer teoria alternativa da gravidade funcione, ela tem que não só eliminar a matéria escura e a energia escura, mas também reproduzir as previsões da relatividade geral em todos os contextos padrão. “O negócio das teorias alternativas da gravidade é uma confusão”, disse Archibald. Alguns substitutos para a relatividade geral, como a teoria das cordas e a gravidade quântica em loop, não oferecem previsões testáveis. Outros “fazem previsões que são espetacularmente erradas, então os teóricos têm que inventar algum tipo de mecanismo de triagem para esconder a previsão errada em escalas que podemos realmente testar”, disse ela.
As teorias mais conhecidas da gravidade alternativa são conhecidas como dinâmica newtoniana modificada, comumente abreviada para MOND. As teorias do tipo MOND tentam acabar com a matéria escura, ajustando a nossa definição de gravidade. Astrônomos têm observado há muito tempo que a força gravitacional devida à matéria comum não parece ser suficiente para manter estrelas em movimento rápido dentro de suas galáxias. A força gravitacional da matéria escura é assumida para fazer a diferença. Mas de acordo com MOND, existem simplesmente dois tipos de gravidade. Em regiões onde a força da gravidade é forte, os corpos obedecem à lei da gravidade de Newton, que afirma que a força gravitacional entre dois objetos diminui em proporção ao quadrado da distância que os separa. Mas em ambientes de gravidade extremamente fraca – como as partes exteriores de uma galáxia – MOND sugere que outro tipo de gravidade está em jogo. Esta gravidade diminui mais lentamente com a distância, o que significa que ela não enfraquece tanto. “A idéia é tornar a gravidade mais forte quando ela deveria ser mais fraca, como na periferia de uma galáxia”, disse Zumalacárregui.
Então há TeVeS (tensor-vetor-scalar), o primo relativista de MOND. Enquanto MOND é uma modificação da gravidade newtoniana, TeVeS é uma tentativa de pegar a idéia geral de MOND e torná-la uma teoria matemática completa que pode ser aplicada ao universo como um todo – não apenas a objetos relativamente pequenos como sistemas solares e galáxias. Ela também explica as curvas de rotação das galáxias, tornando a gravidade mais forte na sua periferia. Mas TeVeS faz isso aumentando a gravidade com campos “escalares” e “vetoriais” que “essencialmente amplificam a gravidade”, disse Fabian Schmidt, cosmólogo do Instituto Max Planck de Astrofísica em Garching, Alemanha. Um campo escalar é como a temperatura em toda a atmosfera: Em cada ponto tem um valor numérico, mas sem direção. Um campo vetorial, pelo contrário, é como o vento: Tem um valor (a velocidade do vento) e uma direção.
Há também as chamadas teorias Galileon – parte de uma classe de teorias chamadas Horndeski e Beyond-Horndeski – que tentam se livrar da energia negra. Estas modificações da relatividade geral também introduzem um campo escalar. Há muitas dessas teorias (a teoria dos Brans-Dicke, as teorias da dilatação, as teorias do camaleão e da quintessência são apenas algumas delas), e as suas previsões variam muito entre modelos. Mas todas elas mudam a expansão do universo e ajustam a força da gravidade. A teoria de Horndeski foi apresentada pela primeira vez por Gregory Horndeski em 1974, mas a comunidade física mais ampla só tomou nota dela por volta de 2010. Nessa altura, Zumalacárregui disse: “Gregory Horndeski deixou a ciência e foi pintor no Novo México”
Há também teorias isoladas, como a do físico Erik Verlinde. De acordo com sua teoria, as leis da gravidade surgem naturalmente das leis da termodinâmica como “a forma como as ondas emergem das moléculas de água no oceano”, disse Zumalacárregui. Verlinde escreveu em um e-mail que suas idéias não são uma “teoria alternativa” da gravidade, mas “a próxima teoria da gravidade que contém e transcende a relatividade geral de Einstein”. Mas ele ainda está a desenvolver as suas ideias. “A minha impressão é que a teoria ainda não está suficientemente trabalhada para permitir o tipo de testes de precisão que realizamos”, disse Archibald. É construída sobre “palavras extravagantes”, disse Zumalacárregui, “mas nenhuma estrutura matemática para calcular previsões e fazer testes sólidos”
As previsões feitas por outras teorias diferem de alguma forma daquelas da relatividade geral. No entanto, essas diferenças podem ser sutis, o que as torna incrivelmente difíceis de encontrar.
Considerar a fusão neutron-star. Ao mesmo tempo em que o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) avistou as ondas gravitacionais que emanavam do evento, o satélite Fermi baseado no espaço avistou uma explosão de raios gama a partir do mesmo local. Os dois sinais viajaram pelo universo durante 130 milhões de anos antes de chegarem à Terra com apenas 1,7 segundos de intervalo.
Estas observações quase simultâneas “brutalmente e impiedosamente assassinadas” teVeS teorias, disse Paulo Freire, um astrofísico do Instituto Max Planck de Radio Astronomia em Bonn, Alemanha. “A gravidade e as ondas gravitacionais propagam-se à velocidade da luz, com altíssima precisão – o que não é de todo o que foi previsto por essas teorias”
O mesmo destino ultrapassou algumas teorias Galileon que acrescentam um campo escalar extra para explicar a expansão acelerada do universo. Estas também predizem que ondas gravitacionais se propagam mais lentamente que a luz. A fusão neutron-star matou esses também, disse Schmidt.
Outros limites vêm de novos sistemas pulsares. Em 2013, Archibald e seus colegas encontraram um sistema triplo incomum: um pulsar e uma anã branca que orbitam um ao outro, com uma segunda anã branca orbitando o par. Estes três objetos existem em um espaço menor do que a órbita da Terra em torno do Sol. O cenário apertado, disse Archibald, oferece condições ideais para testar um aspecto crucial da relatividade geral chamado princípio da equivalência forte, que afirma que objetos muito densos de gravidade forte, como estrelas de nêutrons ou buracos negros “caem” da mesma forma quando colocados em um campo gravitacional. (Na Terra, o princípio da equivalência fraca mais familiar afirma que, se ignorarmos a resistência do ar, uma pena e um tijolo cairão ao mesmo ritmo.)