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Dernière mise à jour : le 27 janvier 2010
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.
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.
1922 : Friedmann, en appliquant les lois de la relativité générale, découvre un modèle d'Univers à courbure positive et en expansion.
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).
1929 : Edwin Hubble publie une relation linéaire entre la vitesse d'éloignement des galaxies et leur distance. Cette loi porte désormais son nom.
1931 L'abbé Lemaître publie l'interprétation de la découverte de Hubble : l'Univers est en expansion.
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.
1936: Sinclair Smith fait une mesure similaire dans l'amas de Virgo et arrive aux mêmes conclusions.
1939 : Babcock mesure la rotation de la galaxie d'Andromède, et trouve qu'elle est beaucoup plus élevée que ce qu'on attendait.
1940 : Oort mesure aussi une rotation anormalement importante dans la galaxie NGC 3115.
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.
1948 : Gamow propose que les galaxies se forment par instabilité gravitationnelle.
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...
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.
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 .
1959 : Kahn et Woltjer mettent en évidence de la masse manquante dans le Groupe Local.
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.
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.
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.
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
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.
1964 : Refsdal présente une étude complète du phénomène de lentille gravitationnelle.
1964 : Shapiro prédit l'existence du délai gravitationnel.
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.
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 (...)"
1967 : Peebles affine la compréhension de la formation des structures cosmologiques par instabilité gravitationnelle. Pas de matière noire à ce stade.
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.
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...
1973 : les calculs d'abondance des éléments légers sont affinés.
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.
1974 : Einasto, Saar, Kaasik et Chernin montrent que le gaz intergalactique dans les groupes de galaxies est concentré autour des galaxies elles-mêmes
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.
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.
1977 : Peccei et Quinn introduisent une nouvelle particule que Frank Wilczek baptise l'axion.
1979 : Découverte de la première lentille gravitationnelle, le quasar double Q0957+561.
1980 : Pryor, Davis, Lecar et Witten étudient la formation des galaxies en présence de neutrinos massifs.
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.
1982 : Alan Guth propose le mécanisme de l'inflation pour résoudre les problèmes de la platitude et de l'horizon en cosmologie.
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 !
1984 : John Ellis et ses collaborateurs étudient de manière détaillée l'hypothèse que la matière noire soit constituée de particules supersymétriques
1984 : Blumenthal, Faber, Primack et Rees reprennent l'hypothèse de la "cold dark matter", pour expliquer la formation des grandes structures.
1986 : Rédaction de la "Dark Matter Flowchart", les physiciens ne manquent pas d'humour, parfois...
1990 : Mesure de la répartition de matière noire dans l'amas Abell 1649 grâce à l'effet de lentille gravitationnelle.
1992 : Découverte des anisotropies angulaires du rayonnement de fond cosmologique par grâce à l'instrument DMR sur le satellite COBE.
1998 : Découverte de l'accélération de l'expansion cosmologique.
2002 : Réfutation des résultats de Peebles et Ostriker de 1973, la présence d'un halo massif déstabilise les disques galactiques.
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.
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).