Depuis des temps immémoriaux, les philosophes et les universitaires ont cherché à déterminer comment l'existence a commencé. Avec la naissance de l'astronomie moderne, cette tradition s'est poursuivie et a donné naissance au domaine connu sous le nom de cosmologie. Et avec l'aide du supercalcul, les scientifiques sont capables de réaliser des simulations qui montrent comment les premières étoiles et galaxies se sont formées dans notre Univers et ont évolué au cours de milliards d'années.
Jusqu'à récemment, l'étude la plus complète et la plus complète était la simulation «Illustrus», qui a examiné le processus de formation des galaxies au cours des 13 derniers milliards d'années. Cherchant à battre leur propre record, la même équipe a récemment commencé à mener une simulation connue sous le nom de «Illustris, The Next Generation» ou «IllustrisTNG». La première série de ces résultats a été publiée récemment, et plusieurs autres devraient suivre.
Ces résultats sont apparus dans trois articles récemment publiés dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society. L'équipe d'Illustris est composée de chercheurs du Heidelberg Institute for Theoretical Studies, du Max-Planck Institutes for Astrophysics and for Astronomy, du Massachusetts Institute of Technology, de l'Université Harvard et du Center for Computational Astrophysics de New York.
À l'aide du supercalculateur Hazel Hen du High-Performance Computing Center de Stuttgart (HLRS) - l'une des trois installations de supercalculateur allemand de classe mondiale qui composent le Gauss Center for Supercomputing (GCS) - l'équipe a réalisé une simulation qui aidera à vérifier et à développer sur les connaissances expérimentales existantes sur les premières étapes de l'Univers - c'est-à-dire ce qui s'est passé de 300 000 ans après le Big Bang à nos jours.
Pour créer cette simulation, l'équipe a combiné des équations (telles que la théorie de la relativité générale) et des données d'observations modernes dans un cube de calcul massif qui représentait une grande section transversale de l'Univers. Pour certains processus, tels que la formation d'étoiles et la croissance des trous noirs, les chercheurs ont été contraints de s'appuyer sur des hypothèses basées sur des observations. Ils ont ensuite utilisé des modèles numériques pour mettre en mouvement cet univers simulé.
Par rapport à leur simulation précédente, IllustrisTNG était composé de 3 univers différents avec trois résolutions différentes - le plus grand d'entre eux mesurait 1 milliard d'années-lumière (300 mégaparsecs). De plus, l'équipe de recherche a inclus une comptabilité plus précise des champs magnétiques, améliorant ainsi la précision. Au total, la simulation a utilisé 24 000 cœurs sur le supercalculateur Hazel Hen pour un total de 35 millions d'heures.
Comme l'a expliqué le professeur Volker Springel, professeur et chercheur à l'Institut d'études théoriques de Heidelberg et chercheur principal du projet, dans un communiqué de presse du Gauss Center:
«Les champs magnétiques sont intéressants pour diverses raisons. La pression magnétique exercée sur le gaz cosmique peut parfois être égale à la pression thermique (température), ce qui signifie que si vous négligez cela, vous manquerez ces effets et finirez par compromettre vos résultats. »
Une autre différence majeure a été l'inclusion d'une mise à jour de la physique des trous noirs basée sur des campagnes d'observation récentes. Cela inclut des preuves qui démontrent une corrélation entre les trous noirs supermassifs (SMBH) et l'évolution galactique. Essentiellement, les SMBH sont connus pour envoyer une énorme quantité d'énergie sous forme de rayonnement et de jets de particules, qui peuvent avoir un effet saisissant sur la formation d'étoiles dans une galaxie.
Alors que les chercheurs étaient certainement conscients de ce processus lors de la première simulation, ils n'ont pas pris en compte la façon dont il peut arrêter complètement la formation d'étoiles. En incluant des données mises à jour sur les champs magnétiques et la physique des trous noirs dans la simulation, l'équipe a constaté une plus grande corrélation entre les données et les observations. Ils sont donc plus confiants avec les résultats et pensent que cela représente la simulation la plus précise à ce jour.
Mais comme l'explique le Dr Dylan Nelson - physicien au Max Planck Institute of Astronomy et membre de llustricTNG -, les futures simulations seront probablement encore plus précises, en supposant que les progrès des superordinateurs se poursuivent:
«L'augmentation de la mémoire et des ressources de traitement dans les systèmes de prochaine génération nous permettra de simuler de grands volumes de l'univers avec une résolution plus élevée. Les grands volumes sont importants pour la cosmologie, pour comprendre la structure à grande échelle de l'univers et faire des prévisions fermes pour la prochaine génération de grands projets d'observation. La haute résolution est importante pour améliorer nos modèles physiques des processus en cours à l'intérieur des galaxies individuelles dans notre simulation. »
Cette dernière simulation a également été rendue possible grâce au soutien étendu fourni par le personnel de GCS, qui a aidé l'équipe de recherche sur des questions liées à leur codage. C'était aussi le résultat d'un effort de collaboration massif qui a réuni des chercheurs du monde entier et les a associés aux ressources dont ils avaient besoin. Enfin et surtout, il montre comment une collaboration accrue entre la recherche appliquée et la recherche théorique conduit à de meilleurs résultats.
Pour l'avenir, l'équipe espère que les résultats de cette dernière simulation s'avéreront encore plus utiles que les précédents. La version originale d'Illustris a gagné plus de 2 000 utilisateurs enregistrés et a abouti à la publication de 130 études scientifiques. Étant donné que celui-ci est plus précis et à jour, l'équipe s'attend à ce qu'il trouve plus d'utilisateurs et aboutisse à des recherches encore plus révolutionnaires.
Qui sait? Peut-être qu'un jour, nous pourrons créer une simulation qui capture la formation et l'évolution de notre univers avec une précision totale. En attendant, assurez-vous de profiter de cette vidéo de la première simulation Illustris, gracieuseté du membre de l'équipe et du physicien du MIT Mark Vogelsberger:
