Comment passer d\u2019un Univers encore priv\u00e9 d\u2019\u00e9toiles \u00e0 un paysage de galaxies \u00e9clairant l\u2019espace ? La simulation Lumina tente de suivre cette transformation en calculant ensemble l\u2019\u00e9volution de la mati\u00e8re, du gaz et du rayonnement. Pr\u00e9sent\u00e9 fin octobre par une collaboration internationale comprenant le MIT et Harvard-Smithsonian, ce travail couvre les deux premiers milliards d\u2019ann\u00e9es de l\u2019histoire cosmique. Un acc\u00e9l\u00e9r\u00e9 spectaculaire, mais surtout un outil pour mettre les th\u00e9ories \u00e0 l\u2019\u00e9preuve.<\/p>\n
L\u2019\u00e9tude publi\u00e9e dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society d\u00e9crit une simulation cosmologique couplant la dynamique de la mati\u00e8re et le transport du rayonnement. Autrement dit, les chercheurs ne dessinent pas seulement des galaxies : ils cherchent \u00e0 suivre comment leur formation et leur lumi\u00e8re transforment le milieu qui les entoure. L\u2019enjeu est de relier des ph\u00e9nom\u00e8nes locaux \u00e0 leurs effets sur de tr\u00e8s grandes distances.<\/p>\n
Le domaine calcul\u00e9 mesure 500 m\u00e9gaparsecs de c\u00f4t\u00e9, soit environ 1,6 milliard d\u2019ann\u00e9es-lumi\u00e8re dans la pr\u00e9sentation du MIT. L\u2019image de toile cosmique couvrant 650 millions d\u2019ann\u00e9es-lumi\u00e8re, reprise dans certaines illustrations, ne d\u00e9crit pas la totalit\u00e9 du volume. Confondre une vue extraite avec la taille du calcul, ce serait mesurer un monde ouvert \u00e0 partir d\u2019une capture d\u2019\u00e9cran.<\/p><\/p>\n
Apr\u00e8s l\u2019apparition des premi\u00e8res \u00e9toiles et galaxies, leur rayonnement modifie l\u2019\u00e9tat des atomes pr\u00e9sents entre elles. La r\u00e9ionisation d\u00e9signe le processus par lequel des photons assez \u00e9nerg\u00e9tiques arrachent des \u00e9lectrons aux atomes. Ce changement influence notamment la mani\u00e8re dont la lumi\u00e8re traverse le milieu intergalactique et fournit des indices sur les sources qui \u00e9clairaient alors l\u2019Univers.<\/p>\n
Lumina suit les transformations de l\u2019hydrog\u00e8ne et de l\u2019h\u00e9lium tout en les reliant \u00e0 l\u2019\u00e9volution des structures. Selon l\u2019\u00e9quipe, cette approche permet d\u2019\u00e9tudier ensemble la formation des galaxies et les effets du rayonnement dans un volume beaucoup plus grand que les simulations comparables pr\u00e9c\u00e9dentes. La valeur scientifique vient de cette combinaison, plut\u00f4t que d\u2019un simple concours de jolies images cosmiques.<\/p>\n
Les chercheurs ont utilis\u00e9 le supercalculateur Frontier, \u00e0 Oak Ridge, en mobilisant \u00e0 grande \u00e9chelle environ 15 000 processeurs graphiques. Les deux milliards d\u2019ann\u00e9es \u00e9voqu\u00e9s sont la p\u00e9riode cosmique mod\u00e9lis\u00e9e, pas le temps pendant lequel des machines auraient r\u00e9ellement tourn\u00e9. La difficult\u00e9 consiste \u00e0 faire \u00e9voluer de tr\u00e8s nombreux \u00e9l\u00e9ments et \u00e0 \u00e9changer efficacement leurs informations.<\/p><\/p>\n
Le gain recherch\u00e9 est de conserver du d\u00e9tail sans perdre le contexte \u00e0 grande \u00e9chelle. Une petite r\u00e9gion peut \u00eatre d\u00e9crite tr\u00e8s finement tout en restant peu repr\u00e9sentative ; une r\u00e9gion immense peut lisser les ph\u00e9nom\u00e8nes qui int\u00e9ressent les astronomes. Lumina cherche \u00e0 mieux articuler ces deux niveaux, avec les contraintes de calcul que cela implique.<\/p>\n
La simulation donne des pr\u00e9dictions que les observations, notamment celles de James-Webb, peuvent aider \u00e0 tester. Elle ne filme pas directement le pass\u00e9 et ne prouve pas \u00e0 elle seule que chaque \u00e9tape s\u2019est d\u00e9roul\u00e9e exactement ainsi. Son int\u00e9r\u00eat est justement de comparer : si les galaxies observ\u00e9es ne correspondent pas aux r\u00e9sultats calcul\u00e9s, les chercheurs doivent examiner les hypoth\u00e8ses et les m\u00e9canismes retenus. Les \u00e9carts ne sont pas un \u00e9chec de la d\u00e9marche ; ils peuvent devenir la partie la plus instructive du voyage.<\/p>\n
Sources : MIT, pr\u00e9sentation de Lumina ; \u00c9tude scientifique, MNRAS ; Science & Vie, pr\u00e9sentation fran\u00e7aise.<\/p><\/p>\n\n\n