Η Γενική Σχετικότητα παραμένει κυρίαρχη:Προκλήσεις στη θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν

Νέες παρατηρήσεις ακραίων αστροφυσικών συστημάτων έχουν «δολοφονήσει βάναυσα και ανελέητα» προσπάθειες να αντικαταστήσουν τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν.

Εισαγωγή

Ο Miguel Zumalacárregui ξέρει πώς είναι όταν πεθαίνουν οι θεωρίες. Τον Σεπτέμβριο του 2017, βρέθηκε στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής στο Saclay, κοντά στο Παρίσι, για να μιλήσει σε μια συνάντηση σχετικά με τη σκοτεινή ενέργεια και την τροποποιημένη βαρύτητα. Οι επίσημες ειδήσεις δεν είχαν ακόμη ανακοινωθεί για μια εποχική αστρονομική μέτρηση - την ανίχνευση, από ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων καθώς και πολλά άλλα τηλεσκόπια, μιας σύγκρουσης μεταξύ δύο άστρων νετρονίων - αλλά ένα αμφιλεγόμενο tweet άναψε μια καταιγίδα φημών στην αστρονομική κοινότητα και ενθουσιασμένοι ερευνητές συζητούσαν την ανακάλυψη.

Ο Zumalacárregui, ένας θεωρητικός φυσικός στο Κέντρο Κοσμολογικής Φυσικής του Μπέρκλεϋ, μελετούσε πώς η ανακάλυψη μιας σύγκρουσης αστεριών νετρονίων θα επηρέαζε τις λεγόμενες «εναλλακτικές» θεωρίες της βαρύτητας. Αυτές οι θεωρίες προσπαθούν να ξεπεράσουν αυτά που πολλοί ερευνητές θεωρούν ότι είναι δύο τεράστια προβλήματα με την κατανόησή μας για το σύμπαν. Παρατηρήσεις δεκαετιών πίσω έδειξαν ότι το σύμπαν φαίνεται να είναι γεμάτο με αόρατα σωματίδια - σκοτεινή ύλη - καθώς και με μια αντιβαρυτική δύναμη που ονομάζεται σκοτεινή ενέργεια. Εναλλακτικές θεωρίες βαρύτητας προσπαθούν να εξαλείψουν την ανάγκη για αυτά τα φαντάσματα τροποποιώντας τη δύναμη της βαρύτητας με τέτοιο τρόπο ώστε να περιγράφει σωστά όλες τις γνωστές παρατηρήσεις — δεν απαιτούνται σκοτεινά πράγματα.

Στη συνάντηση, ο Zumalacárregui αστειεύτηκε στο κοινό του σχετικά με τους κινδύνους του συνδυασμού της επιστήμης και του Twitter και στη συνέχεια εξήγησε ποιες θα ήταν οι συνέπειες εάν οι φήμες ήταν αληθινές. Πολλοί ερευνητές ήξεραν ότι η συγχώνευση θα ήταν μεγάλη υπόθεση, αλλά πολλοί από αυτούς απλώς «δεν είχαν καταλάβει ότι οι θεωρίες τους ήταν στα πρόθυρα της κατάρρευσης», έγραψε αργότερα σε ένα email. Στο Saclay, τους διάβασε τις τελευταίες ιεροτελεστίες. "Αυτό το συνέδριο ήταν σαν μια κηδεία όπου μεταδίδαμε τα νέα σε ορισμένους συμμετέχοντες."

Η σύγκρουση αστέρα νετρονίων ήταν μόνο η αρχή. Νέα δεδομένα τους μήνες μετά την ανακάλυψη αυτή έκαναν τη ζωή ολοένα και πιο δύσκολη για τους υποστηρικτές πολλών από τις θεωρίες τροποποιημένης βαρύτητας που παραμένουν. Οι αστρονόμοι έχουν αναλύσει ακραία αστρονομικά συστήματα που περιέχουν περιστρεφόμενα αστέρια νετρονίων ή πάλσαρ, για να αναζητήσουν αποκλίσεις μεταξύ της κίνησής τους και των προβλέψεων της γενικής σχετικότητας - αποκλίσεις που προβλέπουν ορισμένες θεωρίες εναλλακτικής βαρύτητας. Αυτά τα συστήματα πάλσαρ επιτρέπουν στους αστρονόμους να διερευνούν τη βαρύτητα σε νέα κλίμακα και με νέα ακρίβεια. Και με κάθε νέα παρατήρηση, αυτές οι εναλλακτικές θεωρίες της βαρύτητας δυσκολεύονται όλο και περισσότερο να λύσουν τα προβλήματα για τα οποία επινοήθηκαν. Οι ερευνητές «πρέπει να ιδρώσουν λίγο ακόμα προσπαθώντας να αποκτήσουν νέα φυσική», είπε η Anne Archibald, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ.

Αναζήτηση για Vulcan

Οι συγκεχυμένες παρατηρήσεις οδηγούν τους αστρονόμους σε απελπισμένες εξηγήσεις. Το απόγευμα της 26ης Μαρτίου 1859, ο Edmond Lescarbault, ένας νεαρός γιατρός και ερασιτέχνης αστρονόμος στο Orgères-en-Beauce, ένα μικρό χωριό νότια του Παρισιού, είχε ένα διάλειμμα μεταξύ ασθενών. Έτρεξε σε ένα μικροσκοπικό αυτοσχέδιο παρατηρητήριο στην οροφή του πέτρινου αχυρώνα του. Με τη βοήθεια του τηλεσκοπίου του, εντόπισε ένα άγνωστο στρογγυλό αντικείμενο να κινείται κατά μήκος της όψης του ήλιου.

Έστειλε γρήγορα νέα αυτής της ανακάλυψης στον Urbain Le Verrier, τον κορυφαίο αστρονόμο του κόσμου εκείνη την εποχή. Ο Λε Βεριέ προσπαθούσε να εξηγήσει μια παραξενιά στην κίνηση του πλανήτη Ερμή. Όλοι οι άλλοι πλανήτες περιφέρονται γύρω από τον ήλιο σε απόλυτη συμφωνία με τους νόμους της κίνησης και της βαρύτητας του Ισαάκ Νεύτωνα, αλλά ο Ερμής φάνηκε να προχωρά ένα μικρό ποσό σε κάθε τροχιά, ένα φαινόμενο γνωστό ως μετάπτωση περιηλίου. Ο Le Verrier ήταν σίγουρος ότι έπρεπε να υπάρχει ένας αόρατος «σκοτεινός» πλανήτης που τραβούσε τον Ερμή. Η παρατήρηση του Lescarbault για ένα σκοτεινό σημείο που διέσχιζε τον ήλιο φάνηκε να δείχνει ότι ο πλανήτης, τον οποίο ο Le Verrier ονόμασε Vulcan, ήταν πραγματικός.

Δεν ήταν. Οι θεάσεις του Lescarbault δεν επιβεβαιώθηκαν ποτέ και η μετάπτωση του Ερμή στο περιήλιο παρέμεινε γρίφος για σχεδόν έξι ακόμη δεκαετίες. Στη συνέχεια ο Αϊνστάιν ανέπτυξε τη θεωρία του για τη γενική σχετικότητα, η οποία προέβλεψε ευθέως ότι ο Ερμής θα έπρεπε να συμπεριφέρεται όπως συμπεριφέρεται.

Στην παρόρμηση του Le Verrier να εξηγήσει τις αινιγματικές παρατηρήσεις εισάγοντας ένα μέχρι τώρα κρυμμένο αντικείμενο, ορισμένοι σύγχρονοι ερευνητές βλέπουν παραλληλισμούς με την ιστορία της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας. Για δεκαετίες, οι αστρονόμοι έχουν παρατηρήσει ότι η συμπεριφορά των γαλαξιών και των σμηνών γαλαξιών δεν φαίνεται να ταιριάζει με τις προβλέψεις της γενικής σχετικότητας. Η σκοτεινή ύλη είναι ένας τρόπος για να εξηγηθεί αυτή η συμπεριφορά. Ομοίως, η επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος μπορεί να θεωρηθεί ότι τροφοδοτείται από μια σκοτεινή ενέργεια.

Ωστόσο, όλες οι προσπάθειες για άμεση ανίχνευση της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας απέτυχαν. Αυτό το γεγονός «κάπως αφήνει μια κακή γεύση στο στόμα ορισμένων ανθρώπων, σχεδόν όπως ο φανταστικός πλανήτης Vulcan», δήλωσε ο Leo Stein, θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια. "Ίσως τα κάνουμε όλα λάθος;"

Για να λειτουργήσει οποιαδήποτε εναλλακτική θεωρία της βαρύτητας, πρέπει όχι μόνο να καταργήσει τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια, αλλά και να αναπαράγει τις προβλέψεις της γενικής σχετικότητας σε όλα τα τυπικά πλαίσια. «Η υπόθεση των εναλλακτικών θεωριών βαρύτητας είναι ακατάστατη», είπε ο Archibald. Ορισμένες επίδοξες αντικαταστάσεις της γενικής σχετικότητας, όπως η θεωρία χορδών και η κβαντική βαρύτητα βρόχου, δεν προσφέρουν ελεγχόμενες προβλέψεις. Άλλοι "κάνουν προβλέψεις που είναι θεαματικά λανθασμένες, επομένως οι θεωρητικοί πρέπει να επινοήσουν κάποιο είδος μηχανισμού ελέγχου για να κρύψουν τη λάθος πρόβλεψη σε κλίμακες που μπορούμε πραγματικά να δοκιμάσουμε", είπε.

Οι πιο γνωστές εναλλακτικές θεωρίες βαρύτητας είναι γνωστές ως τροποποιημένη Νευτώνεια δυναμική, που συνήθως συντομεύεται σε MOND. Οι θεωρίες τύπου MOND προσπαθούν να εξαλείψουν τη σκοτεινή ύλη τροποποιώντας τον ορισμό της βαρύτητας. Οι αστρονόμοι έχουν από καιρό παρατηρήσει ότι η βαρυτική δύναμη που οφείλεται στη συνηθισμένη ύλη δεν φαίνεται να είναι επαρκής για να διατηρήσει τα γρήγορα κινούμενα αστέρια μέσα στους γαλαξίες τους. Η βαρυτική έλξη της σκοτεινής ύλης θεωρείται ότι κάνει τη διαφορά. Αλλά σύμφωνα με τη MOND, υπάρχουν απλώς δύο είδη βαρύτητας. Σε περιοχές όπου η δύναμη της βαρύτητας είναι ισχυρή, τα σώματα υπακούουν στο νόμο της βαρύτητας του Νεύτωνα, ο οποίος δηλώνει ότι η βαρυτική δύναμη μεταξύ δύο αντικειμένων μειώνεται αναλογικά με το τετράγωνο της απόστασης που τα χωρίζει. Αλλά σε περιβάλλοντα εξαιρετικά αδύναμης βαρύτητας - όπως τα εξωτερικά μέρη ενός γαλαξία - η MOND προτείνει ότι ένας άλλος τύπος βαρύτητας παίζει. Αυτή η βαρύτητα μειώνεται πιο αργά με την απόσταση, πράγμα που σημαίνει ότι δεν εξασθενεί τόσο πολύ. "Η ιδέα είναι να κάνουμε τη βαρύτητα ισχυρότερη όταν θα έπρεπε να είναι πιο αδύναμη, όπως στα περίχωρα ενός γαλαξία", είπε ο Zumalacárregui.

Περιοδικό Lucy Reading-Ikkanda/Quanta

Έπειτα υπάρχει το TeVeS (τανυστής-διάνυσμα-βαθμωτός), ο σχετικιστής ξάδερφος του MOND. Ενώ το MOND είναι μια τροποποίηση της Νευτώνειας βαρύτητας, το TeVeS είναι μια προσπάθεια να ληφθεί η γενική ιδέα του MOND και να γίνει μια πλήρης μαθηματική θεωρία που μπορεί να εφαρμοστεί στο σύμπαν συνολικά - όχι μόνο σε σχετικά μικρά αντικείμενα όπως ηλιακά συστήματα και γαλαξίες. Εξηγεί επίσης τις καμπύλες περιστροφής των γαλαξιών κάνοντας τη βαρύτητα ισχυρότερη στις παρυφές τους. Αλλά το TeVeS το κάνει αυξάνοντας τη βαρύτητα με πεδία «βαθμωτών» και «διανυσματικών» που «ενισχύουν ουσιαστικά τη βαρύτητα», δήλωσε ο Fabian Schmidt, κοσμολόγος στο Ινστιτούτο Αστροφυσικής Max Planck στο Garching της Γερμανίας. Ένα βαθμωτό πεδίο είναι όπως η θερμοκρασία σε όλη την ατμόσφαιρα:Σε κάθε σημείο έχει μια αριθμητική τιμή αλλά όχι κατεύθυνση. Ένα διανυσματικό πεδίο, αντίθετα, μοιάζει με τον άνεμο:έχει και τιμή (την ταχύτητα του ανέμου) και κατεύθυνση.

Υπάρχουν επίσης οι λεγόμενες θεωρίες του Γαλιλαίου - μέρος μιας κατηγορίας θεωριών που ονομάζονται Horndeski και πέρα από Horndeski - οι οποίες προσπαθούν να απαλλαγούν από τη σκοτεινή ενέργεια. Αυτές οι τροποποιήσεις της γενικής σχετικότητας εισάγουν επίσης ένα βαθμωτό πεδίο. Υπάρχουν πολλές από αυτές τις θεωρίες (θεωρία Brans-Dicke, θεωρίες dilaton, θεωρίες χαμαιλέοντα και πεμπτουσία είναι μερικές μόνο από αυτές) και οι προβλέψεις τους ποικίλλουν πολύ μεταξύ των μοντέλων. Αλλά όλα αλλάζουν τη διαστολή του σύμπαντος και τροποποιούν τη δύναμη της βαρύτητας. Η θεωρία Horndeski παρουσιάστηκε για πρώτη φορά από τον Gregory Horndeski το 1974, αλλά η ευρύτερη κοινότητα της φυσικής την σημείωσε μόλις γύρω στο 2010. Μέχρι τότε, ο Zumalacárregui είπε, «Ο Gregory Horndeski [είχε] εγκαταλείψει την επιστήμη και [έγινε] ζωγράφος στο Νέο Μεξικό».

Υπάρχουν επίσης αυτόνομες θεωρίες, όπως αυτή του φυσικού Erik Verlinde. Σύμφωνα με τη θεωρία του, οι νόμοι της βαρύτητας προκύπτουν φυσικά από τους νόμους της θερμοδυναμικής ακριβώς όπως «ο τρόπος που τα κύματα αναδύονται από τα μόρια του νερού στον ωκεανό», είπε ο Zumalacárregui. Ο Βερλίντε έγραψε σε ένα email ότι οι ιδέες του δεν είναι μια «εναλλακτική θεωρία» της βαρύτητας, αλλά «η επόμενη θεωρία της βαρύτητας που περιέχει και υπερβαίνει τη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν». Αλλά εξακολουθεί να αναπτύσσει τις ιδέες του. «Η εντύπωσή μου είναι ότι η θεωρία δεν έχει ακόμη επαρκώς επεξεργασθεί για να επιτρέψει το είδος των δοκιμών ακριβείας που πραγματοποιούμε», είπε ο Archibald. Είναι χτισμένο σε «φανταχτερές λέξεις», είπε ο Zumalacárregui, «αλλά δεν υπάρχει μαθηματικό πλαίσιο για τον υπολογισμό προβλέψεων και τη διενέργεια σταθερών δοκιμών».

Οι προβλέψεις που γίνονται από άλλες θεωρίες διαφέρουν κατά κάποιο τρόπο από αυτές της γενικής σχετικότητας. Ωστόσο, αυτές οι διαφορές μπορεί να είναι λεπτές, γεγονός που καθιστά απίστευτα δύσκολη την εύρεση τους.

Σκεφτείτε τη συγχώνευση αστεριών νετρονίων. Την ίδια στιγμή που το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων συμβολόμετρου λέιζερ (LIGO) εντόπισε τα βαρυτικά κύματα που προέρχονται από το συμβάν, ο δορυφόρος Fermi που βασίζεται στο διάστημα εντόπισε μια έκρηξη ακτίνων γάμμα από την ίδια θέση. Τα δύο σήματα είχαν ταξιδέψει σε όλο το σύμπαν για 130 εκατομμύρια χρόνια πριν φτάσουν στη Γη με διαφορά μόλις 1,7 δευτερολέπτων.

Αυτές οι σχεδόν ταυτόχρονες παρατηρήσεις «δολοφόνησαν βάναυσα και ανελέητα» τις θεωρίες TeVeS, είπε ο Paulo Freire, αστροφυσικός στο Ινστιτούτο Max Planck για τη Ραδιοαστρονομία στη Βόννη της Γερμανίας. "Η βαρύτητα και τα βαρυτικά κύματα διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός, με εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια — κάτι που δεν είναι καθόλου αυτό που προβλέφθηκε από αυτές τις [εναλλακτικές] θεωρίες."

Η ίδια μοίρα ξεπέρασε ορισμένες θεωρίες του Γαλιλαίου που προσθέτουν ένα επιπλέον βαθμωτό πεδίο για να εξηγήσουν την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Αυτά προβλέπουν επίσης ότι τα βαρυτικά κύματα διαδίδονται πιο αργά από το φως. Η συγχώνευση άστρων νετρονίων σκότωσε και αυτούς, είπε ο Schmidt.

Περαιτέρω όρια προέρχονται από νέα συστήματα πάλσαρ. Το 2013, η Άρτσιμπαλντ και οι συνεργάτες της βρήκαν ένα ασυνήθιστο τριπλό σύστημα:ένα πάλσαρ και έναν λευκό νάνο που περιφέρονται ο ένας γύρω από τον άλλο, με έναν δεύτερο λευκό νάνο να περιφέρεται γύρω από το ζευγάρι. Αυτά τα τρία αντικείμενα υπάρχουν σε ένα χώρο μικρότερο από την τροχιά της Γης γύρω από τον ήλιο. Η σφιχτή ρύθμιση, είπε ο Archibald, προσφέρει ιδανικές συνθήκες για τη δοκιμή μιας κρίσιμης πτυχής της γενικής σχετικότητας που ονομάζεται αρχή ισχυρής ισοδυναμίας, η οποία δηλώνει ότι πολύ πυκνά αντικείμενα ισχυρής βαρύτητας όπως αστέρια νετρονίων ή μαύρες τρύπες «πέφτουν» με τον ίδιο τρόπο όταν τοποθετούνται σε ένα βαρυτικό πεδίο. (Στη Γη, η πιο γνωστή αρχή της ασθενούς ισοδυναμίας δηλώνει ότι, αν αγνοήσουμε την αντίσταση του αέρα, ένα φτερό και ένα τούβλο θα πέσουν με τον ίδιο ρυθμό.)

Το τριπλό σύστημα καθιστά δυνατό τον έλεγχο του αν το πάλσαρ και ο εσωτερικός λευκός νάνος πέφτουν ακριβώς με τον ίδιο τρόπο στη βαρύτητα του εξωτερικού λευκού νάνου. Οι θεωρίες εναλλακτικής βαρύτητας υποθέτουν ότι το βαθμωτό πεδίο που δημιουργείται στο πάλσαρ θα πρέπει να κάμπτει τον χωροχρόνο με πολύ πιο ακραίο τρόπο από ότι ο λευκός νάνος. Τα δύο δεν θα έπεφταν με παρόμοιο τρόπο, οδηγώντας σε παραβίαση της αρχής της ισχυρής ισοδυναμίας και, μαζί με αυτήν, της γενικής σχετικότητας.

Τα τελευταία πέντε χρόνια, η Archibald και η ομάδα της έχουν καταγράψει 27.000 μετρήσεις της θέσης του πάλσαρ καθώς περιφέρεται γύρω από τα άλλα δύο αστέρια. Ενώ το έργο είναι ακόμη ένα έργο σε εξέλιξη, φαίνεται ότι τα αποτελέσματα θα συμφωνούν πλήρως με τον Αϊνστάιν, είπε ο Άρτσιμπαλντ. "Μπορούμε να πούμε ότι ο βαθμός στον οποίο το πάλσαρ συμπεριφέρεται ανώμαλα είναι το πολύ λίγα μέρη στο ένα εκατομμύριο. Για ένα αντικείμενο με τόσο ισχυρή βαρύτητα να εξακολουθεί να ακολουθεί τόσο καλά τις προβλέψεις του Αϊνστάιν, εάν υπάρχει ένα από αυτά τα βαθμωτά πεδία, πρέπει να έχει ένα πραγματικά μικροσκοπικό αποτέλεσμα."

Το τεστ, το οποίο αναμένεται να δημοσιευτεί σύντομα, θα θέσει τους καλύτερους περιορισμούς μέχρι τώρα σε μια ολόκληρη ομάδα εναλλακτικών θεωριών βαρύτητας, πρόσθεσε. Εάν μια θεωρία λειτουργεί μόνο με κάποιο πρόσθετο βαθμωτό πεδίο, τότε το πεδίο θα πρέπει να αλλάξει τη συμπεριφορά του πάλσαρ. «Έχουμε τόσο ευαίσθητα τεστ γενικής σχετικότητας που πρέπει να κρύψουν με κάποιο τρόπο τη νέα συμπεριφορά της θεωρίας στο ηλιακό σύστημα και σε συστήματα πάλσαρ όπως το δικό μας», είπε ο Άρτσιμπαλντ.

Τα δεδομένα από ένα άλλο σύστημα πάλσαρ που ονομάστηκε διπλό πάλσαρ, εν τω μεταξύ, αρχικά υποτίθεται ότι εξαλείφουν τις θεωρίες TeVeS. Ανιχνεύτηκε το 2003, το διπλό πάλσαρ ήταν μέχρι πρόσφατα το μόνο δυαδικό σύστημα άστρων νετρονίων όπου και τα δύο αστέρια νετρονίων ήταν πάλσαρ. Ο Freire και οι συνεργάτες του έχουν ήδη επιβεβαιώσει ότι η συμπεριφορά του διπλού πάλσαρ είναι απόλυτα σύμφωνη με τη γενική σχετικότητα. Ακριβώς πριν από την ανακοίνωση του LIGO τον Οκτώβριο για μια συγχώνευση άστρων νετρονίων, οι ερευνητές επρόκειτο να δημοσιεύσουν ένα έγγραφο που θα εξόντωσε το TeVeS. Αλλά το LIGO έκανε τη δουλειά για αυτούς, είπε ο Freire. "Δεν χρειάζεται να το περάσουμε άλλο."

Slippery Survivors

Μερικές θεωρίες έχουν επιβιώσει από το χτύπημα LIGO - και πιθανότατα θα επιβιώσουν από τα επερχόμενα δεδομένα πάλσαρ, είπε ο Zumalacárregui. Υπάρχουν κάποιες θεωρίες Horndeski και πέρα ​​από τον Horndeski που δεν αλλάζουν την ταχύτητα των βαρυτικών κυμάτων. Στη συνέχεια, υπάρχουν οι λεγόμενες θεωρίες μαζικής βαρύτητας. Συνήθως, οι φυσικοί υποθέτουν ότι το σωματίδιο που σχετίζεται με τη δύναμη της βαρύτητας - το βαρυτόνιο - δεν έχει μάζα. Σε αυτές τις θεωρίες, το graviton έχει πολύ μικρή αλλά μη μηδενική μάζα. Η συγχώνευση αστεριών νετρονίων θέτει σκληρά όρια σε αυτές τις θεωρίες, είπε ο Zumalacárregui, καθώς ένα τεράστιο βαρυτόνιο θα ταξίδευε πιο αργά από το φως. Αλλά σε ορισμένες θεωρίες η μάζα θεωρείται εξαιρετικά μικρή, τουλάχιστον 20 τάξεις μεγέθους μικρότερη από αυτή του νετρίνου, πράγμα που σημαίνει ότι το βαριτόνιο θα εξακολουθούσε να κινείται με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός.

Υπάρχουν μερικοί άλλοι λιγότερο γνωστοί επιζώντες, μερικοί από τους οποίους είναι σημαντικό να συνεχίσουμε να εξερευνούμε, είπε ο Archibald, όσο η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια παραμένουν άπιαστα. "Η σκοτεινή ενέργεια μπορεί να είναι η μόνη μας παρατήρηση που δείχνει μια νέα και καλύτερη θεωρία της βαρύτητας - ή μπορεί να είναι ένα μυστηριώδες ρευστό με παράξενες ιδιότητες και καμία απολύτως σχέση με τη βαρύτητα", είπε.

Ωστόσο, η εξάλειψη των θεωριών είναι απλώς ο τρόπος με τον οποίο υποτίθεται ότι λειτουργεί η επιστήμη, υποστηρίζουν ερευνητές που έχουν εξερευνήσει εναλλακτικές θεωρίες βαρύτητας. «Αυτό κάνουμε συνεχώς, υποβάλλουμε μια υπόθεση εργασίας και το δοκιμάζουμε», είπε ο Enrico Barausse του Ινστιτούτου Αστροφυσικής του Παρισιού, ο οποίος έχει εργαστεί σε θεωρίες που μοιάζουν με το MOND. "99,9 τοις εκατό αποκλείεις την υπόθεση, το υπόλοιπο 0,1 τοις εκατό κερδίζεις το βραβείο Νόμπελ."

Ο Zumalacárregui, ο οποίος έχει επίσης εργαστεί σε αυτές τις θεωρίες, ήταν «λυπημένος» στην αρχή όταν συνειδητοποίησε ότι η ανίχνευση συγχώνευσης άστρων νετρονίων είχε αποδείξει ότι οι θεωρίες του Γαλιλαίου ήταν εσφαλμένες, αλλά τελικά «ανακούφισε πολύ ότι συνέβη νωρίτερα παρά αργότερα», είπε. Το LIGO ήταν έτοιμο να κλείσει για 18 μήνες για να αναβαθμίσει τον ανιχνευτή. "Αν το γεγονός ήταν λίγο αργότερα, θα εξακολουθούσα να εργάζομαι σε μια λάθος θεωρία."

Τι ακολουθεί λοιπόν για τη γενική σχετικότητα και τις θεωρίες τροποποιημένης βαρύτητας; «Αυτή η ερώτηση με κρατάει ξύπνια τη νύχτα περισσότερο από όσο θα ήθελα», είπε ο Zumalacárregui. "Τα καλά νέα είναι ότι έχουμε περιορίσει πολύ το πεδίο εφαρμογής μας και μπορούμε να προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε πολύ καλύτερα τους λίγους επιζώντες."

Ο Schmidt πιστεύει ότι είναι απαραίτητο να μετρηθούν οι νόμοι της βαρύτητας σε μεγάλες κλίμακες όσο το δυνατόν πιο άμεσα, χρησιμοποιώντας συνεχείς και μελλοντικές έρευνες μεγάλων γαλαξιών. «Για παράδειγμα, μπορούμε να συγκρίνουμε την επίδραση της βαρύτητας στην κάμψη του φωτός καθώς και στις ταχύτητες των γαλαξιών, που συνήθως προβλέπονται να είναι διαφορετικές στις θεωρίες τροποποιημένης βαρύτητας», είπε. Οι ερευνητές ελπίζουν επίσης ότι τα μελλοντικά τηλεσκόπια όπως το Square Kilometer Array θα ανακαλύψουν περισσότερα συστήματα πάλσαρ και θα παρέχουν καλύτερη ακρίβεια στον χρονισμό των πάλσαρ για περαιτέρω βελτίωση των δοκιμών βαρύτητας. Και ένα διαστημικό αντικατάσταση του LIGO που ονομάζεται LISA θα μελετήσει τα βαρυτικά κύματα με εξαιρετική ακρίβεια — εάν πράγματι εκτοξευτεί όπως είχε προγραμματιστεί στα μέσα της δεκαετίας του 2030. "Εάν αυτό δεν δει αποκλίσεις από τη γενική σχετικότητα, δεν ξέρω τι θα συμβεί", είπε ο Barausse.

Αλλά πολλοί φυσικοί συμφωνούν ότι θα χρειαστεί πολύς χρόνος για να απαλλαγούμε από τα περισσότερα εναλλακτικά μοντέλα βαρύτητας. Οι θεωρητικοί έχουν δεκάδες εναλλακτικές θεωρίες βαρύτητας που θα μπορούσαν ενδεχομένως να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια, είπε ο Freire. Μερικές από αυτές τις θεωρίες δεν μπορούν να κάνουν ελεγχόμενες προβλέψεις, είπε ο Archibald, και πολλές «έχουν μια παράμετρο, ένα «πόμολο» που μπορείτε να γυρίσετε για να τις κάνετε να περάσουν όποιο τεστ θέλετε», είπε. Αλλά σε κάποιο σημείο, είπε ο Nicolas Yunes, ένας φυσικός στο κρατικό πανεπιστήμιο της Μοντάνα, "αυτό γίνεται ανόητο και το ξυράφι του Occam κερδίζει."

Ωστόσο, «βασικά γνωρίζουμε ότι η γενική σχετικότητα είναι λάθος», είπε ο Στάιν. «Στον πυρήνα πρέπει να υπάρχει κάποια διάσπαση» σε κβαντικό επίπεδο. "Ίσως δεν θα το δούμε από αστρονομικές παρατηρήσεις ... αλλά οφείλουμε στους εαυτούς μας, ως εμπειρικοί επιστήμονες, να ελέγξουμε εάν τα μαθηματικά μας μοντέλα λειτουργούν ή όχι σε αυτές τις κλίμακες."

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στο Wired.com.