Une simulation surpuissante retrace la vie des galaxies depuis les débuts de l’univers


Une simulation surpuissante retrace la vie des galaxies depuis les débuts de l’univers:

VIDÉOS – La modélisation Illustris-TNG50 a tourné pendant plus d’un an sur un supercalculateur pour reproduire plus de 13 milliards d’années d’évolution d’un morceau d’univers. Éblouissant.

C’est une branche assez fascinante de l’astrophysique moderne: reproduire par des calculs informatiques l’évolution de l’univers depuis ses origines jusqu’à nos jours. Un travail de démiurge en quelque sorte.

Les chercheurs ne partent pas tout à fait du point zéro, le big bang, mais quelques centaines de milliers d’années plus tard. Ils établissent tout d’abord une sorte de toile de fond cosmique, un canevas de filaments de matière sombre et de gaz, dont la
géométrie est compatible, a priori, avec les observations du fond diffus cosmologique, la première lumière qui s’est échappée de la soupe primordiale qui constituait le bébé univers 380.000 ans après le big-bang.

Ils mettent comme «ingrédients» de départ les densités d’énergie (sombre et ordinaire) et de matière (noire et ordinaire) déterminées par les cosmologistes. Puis ils choisissent une «boîte assez grande» dans laquelle ils vont faire leurs calculs. Ils
la découpent avec un maillage «intelligent» qui peut évoluer au cours du temps pour s’affiner dans les zones où il y a le plus de matière et où il se passe donc le plus de choses.

Ce modèle constitue une approximation assez grossière de la réalité: une seule maille du modèle peut contenir un million d’étoiles «moyennées». Mais difficile de faire mieux si l’on veut prendre en compte un maximum de phénomènes physiques: gravité, mécanique
des fluides, électro-magnétisme, magnétohydrodynamique, etc. Il faut également saupoudrer le tout de quelques paramètres qui font naître et mourir les étoiles par exemple, et établir l’influence que ces événements extrêmes ont sur leur environnement
(rayonnements, dispersion d’éléments, etc.).

Ils font ensuite tourner le modèle sur des milliards d’années pour voir comment l’ensemble évolue. Objectif: faire naturellement émerger le structures que l’on observe tout au long de l’évolution de l’univers. Des galaxies de tailles et de morphologies
variées, regroupées en amas, eux-mêmes regroupées en superamas, par exemple. Les modélisateurs regardent alors si cela est correct (ce n’est jamais vraiment le cas) et ils repartent au travail.

L’un des principaux efforts mondiaux en la matière est la simulation Illustris. Et plus particulièrement la plus récente version TNG («The Next Generation») dont il existe plusieurs variantes en fonction de la portion d’univers modélisée.

Après les versions 300 et 100, les membres de la collaboration Illustris ont ainsi publié les résultats de la version «50» dans le numéro de décembre de la revue Monthly Notices of The Royal Astronomical Society (qui s’est fait
une spécialité de cette discipline). C’est la plus petite simulation, mais aussi celle dont le maillage est le plus fin. Elle a nécessité plus d’un an de calcul, 24h sur 24, 7 jours sur 7, sur un supercalculateur dédié à cette tache, en Allemagne.
Cela donne une idée de la complexité de l’opération.

«C’est un cube de 50 mégaparsecs, soit 150 millions d’années-lumière de côté», commente Romain Teyssier, modélisateur à l’université de Zürich qui n’est pas impliqué dans la collaboration. «C’est un peu petit pour faire de la cosmologie, mais cela permet
de donner un luxe de détails impressionnants et notamment de reproduire la finesse des galaxies lorsqu’on les regarde par la tranche.»

Un échantillon sublime

La vidéo ci-dessous est une toute petite partie de la modélisation TNG50 centrée sur l’une de ces galaxies en spirale, très semblable à notre Voie lactée. Elle ne mesure qu’une centaine de milliers d’années-lumière de large, comme notre Voie lactée (c’est
donc 1000 fois plus petit que l’arête du cube dans lequel elle a été modélisée).

Sur la vidéo, l’image principale représente la densité de gaz. En bas à droite, un petit zoom représente la lumière visible. En bas à droite, une vue légèrement décentrée pour mieux voir ce qui se passe aux alentours. On notera aussi que l’échelle de
distance (kpc, kiloparsecs – un parsec vaut 3,26 années-lumière) varie au cours du temps: c’est la manière la plus commode de rendre compte de l’expansion continuelle de l’univers au cours du temps sans avoir un cube qui ne cesse de grossir. L’échelle
de temps est quant à elle donnée par le «redshift» (ou décalage vers le rouge en français), noté z (plus sa valeur est grande, plus on est loin dans le passé).

Évolution de l’univers ½ – Regarder sur Figaro Live

Il est assez fascinant de voir la manière dont une galaxie spirale similaire à la nôtre se forme peu à peu à partir de structures plus petites qui s’agrègent progressivement. Cela ne raconte évidemment pas l’histoire exacte de notre galaxie, mais donne
plutôt une idée crédible de ce qu’elle «aurait pu être».

Que ces modélisations nous apprennent-elles? «L’objectif, c’est avant tout de vérifier si nos équations reflètent bien la réalité de ce que nous voyons, si nous avons une bonne compréhension des mécanismes qui dirigent l’évolution de l’univers sur plusieurs
milliards d’années», explique Frédéric Bournaud, spécialiste de la question au CEA. «Cela permet aussi de faire certaines prédictions pour préparer des observations lointaines, mais cela reste limité.»

Il est ainsi assez frappant de voir comment l’on arrive par le calcul à recréer assez naturellement toute la zoologie des galaxies, leurs tailles et leurs formes différentes, à partir d’un univers au départ relativement informe et déstructuré. Et la manière
dont elles se rassemblent pour former les grandes structures de l’univers que nous observons effectivement aujourd’hui.

Des résultats encore imparfaits

Mais ce que l’on ne voit pas forcément à l’œil nu, c’est qu’il a fallu adapter certains paramètres cruciaux pour en arriver là. «Au début, les simulations formaient trop d’étoiles, trop rapidement», souligne le chercheur. «Il a donc fallu rehausser un
peu le nombre d’explosions d’étoiles et des trous noirs supermassifs centraux qui ont pour effet d’éjecter le gaz hors des galaxies et de lutter ainsi contre la formation d’étoiles.» Cela a très bien fonctionné, mais les chercheurs se retrouvent désormais
avec des galaxies… trop pauvres en gaz par rapport aux observations. «Il y a de toute évidence quelque chose qui cloche, mais on ne sait pas encore bien quoi.»

En attendant que l’on comprenne mieux les secrets de l’évolution de l’univers, rien ne nous interdit de continuer à rêver en regardant ces images saisissantes. Ci-dessous, un autre extrait de la simulation TNG50, 10 fois plus large et donc 1000 fois plus
grand en volume. Pour le plaisir des yeux:

Évolution de l’univers 2/2– Regarder sur Figaro Live

Originalement publié sur Tumblr: https://ift.tt/37CrPXk

Répondre

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l’aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion /  Changer )

Photo Google

Vous commentez à l’aide de votre compte Google. Déconnexion /  Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l’aide de votre compte Twitter. Déconnexion /  Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l’aide de votre compte Facebook. Déconnexion /  Changer )

Connexion à %s

WordPress.com.

Retour en haut ↑

%d blogueurs aiment cette page :