On dirait des lucioles scintillant dans l’obscurité. Lentement, de plus en plus s’accumulent, éclairant l’écran en gros morceaux et en grappes.
Mais ce n’est pas une vidéo sur les insectes. C’est une simulation de l’univers primitif, une période après le Big Bang lorsque le cosmos s’est transformé d’un lieu d’obscurité totale en un environnement rayonnant et lumineux.
La superbe vidéo fait partie d’une vaste suite de simulations décrites dans une série de trois articles acceptés au Avis mensuels de la Royal Astronomical Society. Créé par des chercheurs du Centre d’astrophysique | Harvard & Smithsonian, le Massachusetts Institute of Technology et le Max Planck Institute for Astrophysics, les simulations représentent une avancée monumentale dans la simulation de la formation des premières galaxies et de la réionisation – le processus par lequel les atomes d’hydrogène neutres dans l’espace ont été transformés en charges positives, ou ionisé, l’hydrogène, permettant à la lumière de se répandre dans tout l’univers.
La période simulée, connue sous le nom d’époque de réionisation, s’est déroulée il y a environ 13 milliards d’années et était difficile à reconstituer, car elle implique des interactions chaotiques extrêmement compliquées, y compris celles entre la gravité, le gaz et le rayonnement, ou la lumière.
« La plupart des astronomes n’ont pas de laboratoires pour mener des expériences. Les échelles d’espace et de temps sont trop grandes, donc la seule façon de faire des expériences est sur les ordinateurs », explique Rahul Kannan, astrophysicien au Centre d’astrophysique et responsable auteur du premier article de la série. « Nous sommes capables de prendre des équations physiques de base et des modèles théoriques directeurs pour simuler ce qui s’est passé dans l’univers primitif. »
Les simulations de l’équipe – nommées Thesan d’après la déesse étrusque de l’aube – résolvent les interactions dans l’univers primitif avec le plus de détails et sur le plus grand volume de toutes les simulations précédentes. La physique de l’univers primitif est capturée à des échelles un million de fois plus petites que les régions simulées, fournissant des détails sans précédent sur les propriétés des premières galaxies et sur l’impact de la lumière de ces galaxies sur le gaz.
L’équipe y parvient en combinant un modèle réaliste de formation de galaxies avec un nouvel algorithme qui suit l’interaction de la lumière avec le gaz, ainsi qu’un modèle de poussière cosmique.
Avec Thesan, les chercheurs peuvent simuler une partie de notre univers couvrant plus de 300 millions d’années-lumière. L’équipe peut faire avancer la simulation dans le temps pour suivre et visualiser la première apparition et l’évolution de centaines de milliers de galaxies dans cet espace, commençant environ 400 000 ans après le Big Bang et tout au long du premier milliard d’années.
Crédit : Thesan Collaboration
Les simulations révèlent un changement progressif dans l’univers de l’obscurité complète à la lumière.
« C’est un peu comme de l’eau dans des bacs à glaçons ; lorsque vous la mettez au congélateur, cela prend du temps, mais au bout d’un moment, elle commence à geler sur les bords, puis s’infiltre lentement », explique Aaron Smith, co-auteur de l’étude. un boursier Einstein de la NASA à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT. « C’était la même situation dans l’univers primitif – c’était un cosmos neutre et sombre qui est devenu brillant et ionisé lorsque la lumière a commencé à émerger des premières galaxies. »
Les simulations ont été créées pour se préparer aux observations du télescope spatial James Webb (JWST), qui pourra remonter plus loin dans le temps – environ 13,5 milliards d’années – que ses prédécesseurs comme le télescope spatial Hubble.
« De nombreux télescopes mis en ligne, comme le JWST, sont spécifiquement conçus pour étudier cette époque », explique Kannan. « C’est là que nos simulations entrent en jeu ; elles vont nous aider à interpréter les observations réelles de cette période et à comprendre ce que nous voyons. »
Les observations et les données réelles du télescope seront bientôt comparées aux simulations Thesan, explique l’équipe.
« Et c’est la partie intéressante », déclare le co-auteur de l’étude, Mark Vogelsberger, professeur agrégé de physique au MIT. « Soit nos simulations et notre modèle thésan concordent avec ce que JWST trouve, ce qui confirmerait notre image de l’univers, soit il y aura un désaccord significatif montrant que notre compréhension de l’univers primitif est erronée. »
L’équipe, cependant, ne saura pas comment divers aspects de leur modèle se comportent jusqu’à ce que les premières observations arrivent, qui couvriront un large éventail de sujets, y compris les propriétés des galaxies et l’absorption et la fuite de la lumière dans l’univers primitif.
« Nous avons développé des simulations basées sur ce que nous savons », explique Kannan. « Mais alors que la communauté scientifique a beaucoup appris ces dernières années, il y a encore pas mal d’incertitude, surtout en ces temps anciens où l’univers était très jeune. »
Les simulations ont été créées à l’aide de l’un des plus grands supercalculateurs au monde, le SuperMUC-NG, au cours de 30 millions d’heures CPU. Les mêmes simulations auraient nécessité plus de 3 500 ans pour se terminer sur un ordinateur normal.