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Dernière mise à jour : octobre 2013

Repères historiques

La notion de matière noire n'est pas très récente, et l'idée que l'Univers pourrait contenir beaucoup de masse sous une forme n'émettant pas de lumière est assez ancienne, mais on peut situer la naissance du concept moderne de matière noire en 1933 avec les observations de Zwicky. Avant cette date, le terme "dark matter" est utilisé pour désigner des taches sombres qui apparaissent sur certains objets astronomiques, et qui sont généralement attribuées à la présence de matière absorbante. Il s'agit alors de matière que l'on détecte directement (par cette absorption), et il ne s'agit pas encore de matière noire au sens moderne. Une partie de ce qui suit est inspirée des deux articles de Van Den Bergh que l'on peut trouver ici : astro-ph/9904251 et astro-ph/0005314. La partie plus récente de l'histoire est basée sur une recherche personnelle utilisant le puissant outil de recherche bibliographique du serveur ADS, ainsi que des recherches bibliographiques personnelles et des discussions d'autres chercheurs (voir les liens à la fin). Il s'agit ici de repères historiques et il ne s'agit pas d'être exhaustif. Il me semblait intéressant de donner quelques dates auxquelles certains concepts reliés au problème de la matière noire ont été introduits.


1911 : Le spectroscopiste V.M. Slipher met en évidence une vitesse radiale importante pour la galaxie d'Andromède. Il conclut l'article qui annonce ce résultat par ces mots : "That the velocity of the first spiral observed should be so high intimates that the spirals as a class have higher velocities than do stars and that it might not be fruitless to observe some of the more promising spirals for proper motion". Ceci à une époque où l'on ne sait pas encore que les "spirales" sont des galaxies extérieures à la nôtre... Ces observations, ainsi que celles qui se succéderont au fil des ans, serviront de point de départ pour Hubble. Pour une sélection bibliographique, voir ici.

V.M. Slipher
The radial velocity of the Andromeda Nebula
Lowell Observatory Bulletin, 1 (1911) p. 2.56-2.57

1920 : Un débat oppose Harlow Shapley à Heber Curtis sur la question de savoir si les nébuleuses spirales qui sont observées sont des nuages de gaz appartenant à notre galaxie ou si ce sont d'autres galaxies.

The Shapley-Curtis Debate in 1920

The island Universe Theory

1922 : Friedmann, en appliquant les lois de la relativité générale, découvre un modèle d'Univers à courbure positive et en expansion.

A. Friedmann
Sur la courbure de l'espace
Zeitschrift für Physik, 10 (1922) p. 377

1924 : Edwin Hubble (1889-1953) découvre que M31 est un ensemble d'étoiles situé à des distances très grandes, et la vision de notre Univers bascule. Notre Galaxie est une galaxie parmi d'autres.

1927 : Lemaître redécouvre, de façon indépendante, le modèle cosmologique proposé par Friedmann. Il émet l'hypothèse que l'expansion du modèle explique le décalage des raies spectrales déjà observé à l'époque, et donne une valeur pour le facteur de proportionnalité entre la vitesse de récession des galaxies et leur distance (ce qui sera appelé la constante de Hubble).

G. Lemaître
Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extragalactiques
G. Ann. Soc. Sci. Bruxelles A47, (1927) p.49

1929 : Edwin Hubble publie une relation linéaire entre la vitesse d'éloignement des galaxies et leur distance. Cette loi porte désormais son nom.

E. Hubble
A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 15 (1929) p. 168-173

1931 L'abbé Lemaître publie l'interprétation de la découverte de Hubble : l'Univers est en expansion.

G. Lemaître
Expansion of the universe, A homogeneous universe of constant mass and increasing radius accounting for the radial velocity of extra-galactic nebulæ
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 91 (1931) p. 483-490

1933 : Fritz Zwicky (1898-1974) mesure la distribution des vitesses des galaxies de l'amas de Coma, et trouve des vitesses excessivement élevées. Si élevées qu'une grande quantité de masse doit être présente dans l'amas si on veut expliquer que l'amas ne se soit pas dissocié depuis très longtemps. Ces résultats sont publiés en allemand, puis en anglais en 1937 dans la revue Astrophysical Journal (voir le lien ci-dessous). Cet article propose déjà d'utiliser les lentilles gravitationnelles pour sonder le contenu des amas... Les conclusions de Zwicky étaient numériquement faussées par le fait que la valeur mesurée de la constante de Hubble était beaucoup trop élevée à l'époque (Zwicky a considéré 558 km/s/Mpc), mais ceci n'enlève rien à la réalité du problème.

F. Zwicky
On the Masses of Nebulae and of Clusters of Nebulae
The Astrophysical Journal, 86 (1937) p. 217

1936: Sinclair Smith fait une mesure similaire dans l'amas de Virgo et arrive aux mêmes conclusions.

S. Sinclair
The Mass of the Virgo Cluster
Astrophysical Journal, vol. 83, p.23

1939 : Babcock mesure la rotation de la galaxie d'Andromède, et trouve qu'elle est beaucoup plus élevée que ce qu'on attendait.

H.W. Babcock
The rotation of the Andromeda Nebula
Lick Observatory bulletin ; no. 498

1940 : Oort mesure aussi une rotation anormalement importante dans la galaxie NGC 3115.

J.H. Oort
Some Problems Concerning the Structure and Dynamics of the Galactic System and the Elliptical Nebulae NGC 3115 and 4494
The Astrophysical Journal, 91 (1940) p. 273

1948 : Alpher et Gamow montrent que les éléments légers se forment lors du Big-Bang. La nucléosynthèse primordiale est née. Bethe est joint à la liste des auteurs pour une raison douteuse.

R.A. Alpher, H.A. Bethe, G. Gamow
The Origin of Chemical Elements
Physical Review 73 (1948) p. 803

1948 : Gamow propose que les galaxies se forment par instabilité gravitationnelle.

G. Gamow
Evolution of the Universe
Nature 162 (1948) p. 680-682

1948 : Bondi et Gold, ainsi que Fred Hoyle, proposent un modèle cosmologique stationnaire. A l'époque, le modèle de l'Univers en expansion souffre d'un gros problème, la valeur de la constante de Hubble alors admise conduit à un âge de l'Univers plus faible que celui des étoiles...

Bondi & Gold
The Steady-State Theory of the Expanding Universe
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 108 (1948) p. 252

F. Hoyle
A New Model for the Expanding Universe
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 108 (1948) p.372

1951 : Première détection de la raie à 21 cm de l'hydrogène par Ewen et Purcell, immédiatement confirmée par Muller et Oort. Une nouvelle fenêtre s'ouvre sur l'Univers.

En savoir plus (pdf en anglais)

H.I. Ewen and E.M. Purcell
Radiation from galactic hydrogen at 1420 Mc/s
Nature 168 (1951) p. 356-357

C.A. Muller and J.H. Oort
The interstellar hydrogen line at 1420 Mc/sec and an estimate of galactic rotation
Nature 168 (1951) p. 357-358

1958 : Sandage publie une valeur beaucoup plus correcte (et plus faible) de la constante de Hubble, 75 km/s/Mpc, ce qui allonge l'âge de l'Univers et raccourcit les échelles de distance cosmologiques .

A. Sandage
Current Problems in the Extragalactic Distance Scale
The Astrophysical Journal, 127 (1958) p. 513

1959 : Kahn et Woltjer mettent en évidence de la masse manquante dans le Groupe Local.

F.D. Kahn & L. Woltjer
Intergalactic Matter and the Galaxy
The Astrophysical Journal, 130 (1959) p. 705

1959 : Louise Volders montre que les mesures de la courbe de rotation de M33, réalisée grâce à la détection de la raie de l'hydrogène neutre, ne décroissent pas selon le rayon comme on s'y attend en se basant sur la distribution de lumière.

Louise Volders
Neutral hydrogen in M 33 and M 101
Bulletin of the Astronomical Institutes of the Netherlands 14 (1959) p. 323

1960 : Pound et Rebka mettent en évidence, par une expérience sur Terre, le décalage vers le rouge d'origine gravitationnelle. C'est un test important du principe d'équivalence à la base de la relativité générale et des autres théories métriques de la gravitation.

Pound & Rebka
Gravitational Red-Shift in Nuclear Resonance
Phys. Rev. Lett. 4 (1960) p. 337

L'exérience de la tour d'Harvard (en anglais)

1961 : La contrepartie optique d'une source radio "ponctuelle" est découverte par Ryle (Nobel 74), elle ressemble à une étoile très bleue. C'est la découverte du premier quasar, 3C48 (48ème source du 3ème catalogue de sources radio de Cambridge).

1961 : Conference de Santa Barbara sur l'instabilité des systèmes de galaxies. La question de la masse cachée est discutée, et les points de vue sont très partagés.

Conference on the Instability of Systems of Galaxies (Santa Barbara, California, August 1O-12, 1961): Summary of the conference

1963 : Arrigo Finzi, en se basant sur le mouvement des amas globulaires autour de notre galaxie, calcule pour sa masse une valeur 3 fois plus grande que celle provenant des mesures de rotation de la partie centrale. Elle propose une modification de la loi de Newton à grande distance

A. Finzi
On the validity of Newton's law at a long distance
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 127 (1963) p. 21

1963 : Découverte des High-Velocity Clouds par Muller, Oort, & Raimond. Ce sont des objets découverts par l'émission radio à 21cm de leur hydrogène, mais qu'on ne détecte pas dans le visible.

G.A. Muller, J.H. Oort, E. Raimond
Acad. Sci. Paris 257 (1963) p. 1661

1964 : Refsdal présente une étude complète du phénomène de lentille gravitationnelle.

S. Refsdal
The gravitational lens effect
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 128 (1964) p. 295

S. Refsdal
On the possibility of determining Hubble's parameter and the masses of galaxies from the gravitational lens effect
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 128 (1964) p.307

1964 : Shapiro prédit l'existence du délai gravitationnel.

I.I. Shapiro
Fourth Test of General Relativity
Physical Review Letters 13 (1964) p.789–791

1965: Penzias et Wilson découvrent sans le savoir le rayonnement de fond cosmologique, sous la forme d'un bruit irréductible dans leurs mesures de signaux radio. De leur côté, Dicke et Peebles s'entourent au même moment de Roll et Wilkinson pour construire une antenne qui détecterait un rayonnement de fond radio... La même année, Peebles tire les conséquences de l'existence de ce rayonnement de fond sur la formation des structures cosmiques.

A.A. Penzias & R.W. Wilson
A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s
The Astrophysical Journal, 142 (1965) p. 419–421

R. Dicke, P.J.E Peebles, P.G. Roll, D.T. Wilkinson
Cosmic Black-Body Radiation
The Astrophysical Journal, 142 (1965) p. 414–419

P.J.E. Peebles
The Black-Body Radiation Content of the Universe and the Formation of Galaxies
The Astrophysical Journal, 142 (1965) p. 1317

1966 : Découverte en rayons X du gaz chaud entre les galaxies des amas. Citation du papier de Felten et al : "We find that the emission is accounted for by a mass of hot gas equivalent to the familiar missing mass suggested by application of the virial theorem to this cluster (...)"

Boldt, McDonald, Riegler, Sermelitsos
Extended Source of Energetic Cosmic X Rays
Physical Review Letters 17 (1966) p. 447

J.E. Felten, R.J. Gould, W.A. Stein, N.J. Woolf
X-Rays from the Coma Cluster of Galaxies
The Astrophysical Journal, 146 (1966) p.955–958

1967 : Peebles affine la compréhension de la formation des structures cosmologiques par instabilité gravitationnelle. Pas de matière noire à ce stade.

Peebles 1967
The gravitational instability of the Universe
The Astrophysical Journal, 147 (1967) p. 859

1970 : Vera Rubin et W. Ford Jr mesurent la rotation de la galaxie d'Andromède (M31). Ceci marque le début d'une série de mesures systématiques qui vont mettre en évidence le fait que les courbes de rotation des galaxies spirales sont plates à grande distance du centre, ce qui ne n'explique pas avec la composante visible.

Vera Rubin et W. Ford Jr
Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions
The Astrophysical Journal, 159 (1970) p. 379

1972 : Stewart montre que la présence de neutrinos limite fortement la formation des structures aux échelles des galaxies. Il ne s'agit toujours pas de matière noire...

J.M. Stewart
Perturbations in an Expanding Universe of Free Particles
The Astrophysical Journal, 176 (1972) p.323

1973 : les calculs d'abondance des éléments légers sont affinés.

H. Reeves, J. Audouze, W.A. Fowler, D.N. Schramm
On the Origin of Light Elements
The Astrophysical Journal, 179 (1973) pp. 909–930

1973 : En se basant sur des simulations numériques, Ostriker et Peebles montrent que les disques galactiques sont instables en l'absence d'un halo étendu de matière noire.

Ostriker & Peebles 1973
A Numerical Study of the Stability of Flattened Galaxies: or, can Cold Galaxies Survive?
The Astrophysical Journal, 186 (1973), p. 476

1974 : Einasto, Saar, Kaasik et Chernin montrent que le gaz intergalactique dans les groupes de galaxies est concentré autour des galaxies elles-mêmes

J. Einasto, E. Saar, A. Kaasik, A.D. Chernin
Missing mass around galaxies - Morphological evidence
Nature, 252 (1974), p. 111-113

1975 : Roberts et Whitehurst observent M31 dans la raie à 21 cm de l'hydrogène ce qui leur permet de mesurer la courbe de rotation bien plus loin du centre que ce qu'on peut faire en optique. Le doute est levé : M31 tourne beaucoup trop vite.

M.S. Roberts & R.N. Whitehurst
The rotation curve and geometry of M 31 at large galactocentric distances
The Astrophysical Journal, 201 (1975) 327-346

1977 : Rees écrit "There are other possibilities of more exotic character, for instance the idea of neutrinos with small (few ev) rest mass has been taken surprisingly seriously by some authors". En fait, à partir de ce moment et jusqu'en 1984, l'hypothèse des neutrinos massifs est la plus en vogue.

Rees
The Evolution of Galaxies and Stellar Populations
ed. B. M. Tinsley & R. B. Larson (New Haven: Yale Univ. Obs.), 339

J. Primack, M. Gross
Hot Dark Matter in Cosmology
astro-ph/0007165

1977 : Peccei et Quinn introduisent une nouvelle particule que Frank Wilczek baptise l'axion.

R. D. Peccei, Helen R. Quinn
CP Conservation in the Presence of Pseudoparticles
Physical Review Letters, 38 (1977) p. 1440

R. D. Peccei, Helen R. Quinn
Constraints imposed by CP conservation in the presence of pseudoparticles
Physical Review D16 (1977) p. 1791

1979 : Découverte de la première lentille gravitationnelle, le quasar double Q0957+561.

D. Walsh, R.F. Carswell, R.J. Weymann
0957 + 561 A, B - Twin quasistellar objects or gravitational lens
Nature, 279 (1979), p. 381–384

1980 : Pryor, Davis, Lecar et Witten étudient la formation des galaxies en présence de neutrinos massifs.

C. Pryor, M. Davis, M. Lecar, E. Witten
Galaxy Formation With Massive Neutrinos
Bulletin of the American Astronomical Society, 12, p. 861

1981 : Howard Georgi et Savas Dimopoulos proposent une extension supersymétrique réaliste au modèle standard, le MSSM (minimal supersymmetric standard model), dans lequel les superpartenaires ont des masses de l'ordre de la centaine de GeV.

Howard Georgi, Savas Dimopoulos
Softly broken supersymmetry and SU(5)
Nuclear Physics B193 (1981) p. 150

1982 : Alan Guth propose le mécanisme de l'inflation pour résoudre les problèmes de la platitude et de l'horizon en cosmologie.

A. Guth
Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems
Physical Review D, 23 (1981) p. 347–356

1982 : Pagels et Primack montrent que la supersymétrie prédit que l'Univers est rempli de gravitinos, qui pourraient constituer la matière noire

Heinz Pagels, Joel R. Primack
Supersymmetry, Cosmology, and New Physics at Teraelectronvolt Energies
Physical Review Letters, 48 (1982) p. 223

1982 : Peebles montre qu'il est difficile de comprendre la formation des galaxies si la matière noire est constituée de neutrinos. Il étudie l'hypothèse de particules plus massives, ce qui lance la matière noire froide !

P.J.E Peebles
Primeval adiabatic perturbations - Effect of massive neutrinos
The Astrophysical Journal, 258 (1982) p. 415

P.J.E Peebles
Anisotropy of the microwave background due to the mass distribution in an open cosmological model
The Astrophysical Journal, 259 (1982) p. 442

P.J.E Peebles
Large-scale background temperature and mass fluctuations due to scale-invariant primeval perturbations
The Astrophysical Journal, 263 (1982) p. 1

1983 : Proposition d'une modification empirique de la dynamique newtonienne (MOND) par Milgrom.



1984 : John Ellis et ses collaborateurs étudient de manière détaillée l'hypothèse que la matière noire soit constituée de particules supersymétriques

John Ellis et al.
Supersymmetric relics from the Big Bang
Nuclear Physics B238 (1984) p. 453

1984 : Blumenthal, Faber, Primack et Rees reprennent l'hypothèse de la "cold dark matter", pour expliquer la formation des grandes structures.

G.R. Blumenthal, S.M. Faber, J.R. Primack, M.J. Rees
Formation of galaxies and large-scale structure with cold dark matter
Nature, 311 (1984) p. 517–525

1985 : Article fondateur de la détection directe.

Mark W. Goodman ; Edward Witten
Detectability of certain dark-matter candidates
Physical Review D31, 1985, p. 3059–3063

1986 : Début des expériences de détection directe avec les expériences d'Homestake et Oroville, initalement conçues pour chercher un processus nucléaire rare, la désintégration double bêta sans neutrino.

1986 : Proposition de l'idée de modulation annuelle des signaux de détection directe.

Andrzej Drukier ; Katherine Freese ; David Spergel
http://adsabs.harvard.edu/abs/1985PhRvD..31.3059G
Physical Review D33, 1986, p. 3495–3508

1986 : Rédaction de la "Dark Matter Flowchart", les physiciens ne manquent pas d'humour, parfois...

T.R. Lauer, T.S. Statler, B.S. Ryden, D.H. Weinberg
The Dark Matter Flowchart

1988 : Proposition de l'idée de détection directionnelle en détection directe.

David Spergel
Motion of the Earth and the detection of weakly interacting massive particles
Physical Review D37, 1988, p. 1353–1355

1990 : Mesure de la répartition de matière noire dans l'amas Abell 1649 grâce à l'effet de lentille gravitationnelle.

J. A. Tyson ; R. A. Wenk ; F. Valdes
Detection of systematic gravitational lens galaxy image alignments - Mapping dark matter in galaxy clusters
Astrophysical Journal Letters, 349 (1990) p. L1–L4

1992 : Découverte des anisotropies angulaires du rayonnement de fond cosmologique par grâce à l'instrument DMR sur le satellite COBE.

G. Smoot et al.
Structure in the COBE differential microwave radiometer first-year maps
Astrophysical Journal, 396, 1992, p. L1–L5

1998 : Découverte de l'accélération de l'expansion cosmologique.

A. Riess et al.
Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant
The Astronomical Journal, 116 (1998) p. 1009

S. Perlmutter et al.
Measurements of Omega and Lambda from 42 High-Redshift Supernovae
The Astrophysical Journal, 517 (1999) p. 565-586

1998 : L'expérience Dama annonce avoir découvert un signal montrant une modulation annuelle, ce qui pourrait s'interpréter comme la détection directe de particules de matière noire. La question est toujours en débat.

2002 : Réfutation des résultats de Peebles et Ostriker de 1973, la présence d'un halo massif déstabilise les disques galactiques.

E. Athanassoula
Bar-Halo Interaction and Bar Growth
The Astrophysical Journal Letters, 569 (2002) p. L83

2003 : Publication des résultats de l'expérience WMAP, qui confirme de façon éclatante la distribution des anisotropies du rayonnement de fond cosmologique, et dans une certaine mesure le modèle cosmologique standard lui-même.

C. Benett et al.
First Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Preliminary Maps and Basic Results
Astrophysical Journal Suppl. 148 (2003) 1, astro-ph/0302207

2004 : Analyse de la distribution de matière noire dans le "bullet cluster", semblant favoriser l'hypothèse de la matière noire sur celle de la gravité modifiée (voir la discussion complète).

D. Clowe ; A. Gonzalez ; M. Markevitch
Weak lensing mass reconstruction of the interacting cluster 1E0657-558: Direct evidence for the existence of dark matter
The Astrophysical Journal, 604 (2004) 596-603

2005 : détection du pic acoustique des baryons.

D. Eisenstein et al.
Detection of the Baryon Acoustic Peak in the Large-Scale Correlation Function of SDSS Luminous Red Galaxies
The Astrophysical Journal, 633 (2005) p. 560–574

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