Des astronomes réalisent la plus grande simulation informatique cosmologique jamais réalisée

Une équipe internationale d’astronomes a réalisé ce qui est considéré comme la plus grande simulation informatique cosmologique jamais réalisée, en suivant non seulement la matière noire mais aussi la matière ordinaire (telle que les planètes, les étoiles et les galaxies), nous donnant un aperçu de la façon dont notre univers a pu évoluer.

Les simulations FLAMINGO calculent l’évolution de tous les composants de l’univers (matière ordinaire, matière noire et énergie noire) selon les lois de la physique. Au fur et à mesure que la simulation progresse, des galaxies virtuelles et des amas de galaxies émergent. Trois papiers ont été publié dans Avis mensuels de la Royal Astronomical Society: l’un décrivant les méthodes, un autre présentant les simulations et le troisième examinant dans quelle mesure les simulations reproduisent la structure à grande échelle de l’univers.

Des installations telles que le télescope spatial Euclid récemment lancé par l’Agence spatiale européenne (ESA) et le JWST de la NASA collectent des quantités impressionnantes de données sur les galaxies, les quasars et les étoiles. Les simulations telles que FLAMINGO jouent un rôle clé dans l’interprétation scientifique des données en reliant les prédictions des théories de notre univers aux données observées.

Selon cette théorie, les propriétés de notre univers tout entier sont définies par quelques nombres appelés « paramètres cosmologiques » (six d’entre eux dans la version la plus simple de la théorie). Les valeurs de ces paramètres peuvent être mesurées de manière très précise de différentes manières.

L’une de ces méthodes repose sur les propriétés du fond diffus cosmologique (CMB), une faible lueur de fond laissée par l’univers primitif. Cependant, ces valeurs ne correspondent pas à celles mesurées par d’autres techniques qui s’appuient sur la manière dont la force gravitationnelle des galaxies courbe la lumière (lentille). Ces « tensions » pourraient signaler la disparition du modèle standard de la cosmologie – le modèle de la matière noire froide.

Les simulations informatiques pourraient révéler la cause de ces tensions car elles peuvent informer les scientifiques sur d’éventuels biais (erreurs systématiques) dans les mesures. Si aucun de ces éléments ne suffit à expliquer les tensions, la théorie sera en grande difficulté.

Jusqu’à présent, les simulations informatiques utilisées pour comparer les observations ne suivent que la matière noire froide. « Bien que la matière noire domine la gravité, la contribution de la matière ordinaire ne peut plus être négligée », explique Joop Schaye (Université de Leiden), responsable de la recherche, « puisque cette contribution pourrait être similaire aux écarts entre les modèles et les observations. »

Les premiers résultats montrent que les neutrinos et la matière ordinaire sont essentiels pour faire des prédictions précises, mais n’éliminent pas les tensions entre les différentes observations cosmologiques.

Les simulations qui suivent également la matière baryonique ordinaire (également connue sous le nom de matière baryonique) sont beaucoup plus difficiles et nécessitent beaucoup plus de puissance de calcul. En effet, la matière ordinaire – qui ne représente que seize pour cent de toute la matière de l’univers – ressent non seulement la gravité mais aussi la pression des gaz, ce qui peut provoquer l’expulsion de la matière des galaxies par des trous noirs actifs et des supernovae loin dans l’espace intergalactique.

La force de ces vents intergalactiques dépend des explosions dans le milieu interstellaire et est très difficile à prévoir. De plus, la contribution des neutrinos, particules subatomiques de masse très petite mais mal connue, est également importante mais leur mouvement n’a pas encore été simulé.

Les astronomes ont réalisé une série de simulations informatiques pour suivre la formation de structures dans la matière noire, la matière ordinaire et les neutrinos. doctorat L’étudiant Roi Kugel (Université de Leiden) explique : « L’effet des vents galactiques a été calibré à l’aide de l’apprentissage automatique, en comparant les prédictions de nombreuses simulations différentes de volumes relativement petits avec les masses observées des galaxies et la répartition du gaz dans les amas de galaxies.  »

Les chercheurs ont simulé le modèle qui décrit le mieux les observations d’étalonnage avec un superordinateur dans différents volumes cosmiques et à différentes résolutions. De plus, ils ont varié les paramètres du modèle, notamment la force des vents galactiques, la masse des neutrinos et les paramètres cosmologiques dans des simulations de volumes légèrement plus petits mais néanmoins grands.

La plus grande simulation utilise 300 milliards d’éléments de résolution (des particules ayant la masse d’une petite galaxie) dans un volume cubique avec des bords de dix milliards d’années-lumière. On pense qu’il s’agit de la plus grande simulation informatique cosmologique avec de la matière ordinaire jamais réalisée. Matthieu Schaller, de l’Université de Leiden, a déclaré : « Pour rendre cette simulation possible, nous avons développé un nouveau code, SWIFT, qui répartit efficacement le travail de calcul sur 30 000 processeurs. »

Les simulations FLAMINGO ouvrent une nouvelle fenêtre virtuelle sur l’univers qui permettra de tirer le meilleur parti des observations cosmologiques. En outre, la grande quantité de données (virtuelles) crée des opportunités de faire de nouvelles découvertes théoriques et de tester de nouvelles techniques d’analyse de données, notamment l’apprentissage automatique.

Grâce à l’apprentissage automatique, les astronomes peuvent ensuite faire des prédictions sur des univers virtuels aléatoires. En les comparant avec des observations de structures à grande échelle, ils peuvent mesurer les valeurs des paramètres cosmologiques. De plus, ils peuvent mesurer les incertitudes correspondantes en les comparant avec des observations qui contraignent l’effet des vents galactiques.