Simulation de l’univers

Vous avez certainement pu profiter de vidéos accélérées (time-lapse) présentant, par exemple, la pousse des fleurs, des arbres, la formation des montagnes où la dérive des continents pour atteindre leur configuration actuelle et même leurs mouvements dans le futur. Et bien aujourd’hui, nous pouvons voir un time-lapse de l’univers en évolution, 13 milliards d’années d’évolution cosmique, le tout dans un cube de 350 millions d’années-lumière de côté, rétréci à la taille des écrans de nos ordinateurs.

La vidéo ci-dessous nous transporte à travers le temps et l’espace alors que les gaz se réchauffent, les étoiles explosent, les galaxies se forment, les trous noirs dévorent et que l’univers se dilate. Nous voyons les vastes étendues de l’espace présentant la répartition de la matière noire, la température des gaz, les métaux lourds, la lumière visible. Des données qui se chevauchent et se superposent par l’intermédiaire des 12 milliards de pixels en 3D.



Mark Vogelsberger du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) ainsi que des chercheurs en Allemagne, au Royaume-Uni et d’autres institutions aux Etats-Unis, ont dévoilé, dans une étude publiée cette semaine (lien plus bas), leur simulation.

Cet univers virtuel, mais réaliste, a été construit avec un programme informatique appelé Illustris, qui a utilisé un code complexe pour reconstruire l’univers comme il était, il y a quelque 12 millions d’années après le Big Bang.

De créer un programme capable de simuler convenablement une période de milliards d’années a nécessité un long investissement à l’échelle de temps humaine, ainsi les chercheurs ont passé cinq ans au développement d’Illustris. Les calculs réels ont pris trois mois de “temps d’exécution” sur des supercalculateurs et ont impliqué 8 000 processeurs (CPU) travaillant simultanément. A titre de comparaison, un ordinateur de bureau moyen, seul, aurait accompli cette tâche en 2000 ans.

Lorsque le calcul s’est terminé, l’Illustris avait construit plus de 41 000 galaxies, avec des amas de galaxies et des vides. Un zoom avant révèle une résolution si fine, qu’elle est capable de présenter la chimie des gaz tourbillonnant dans chaque galaxie.

Image ci-dessous : toujours à partir de la simulation Illustris, elle est centrée sur le groupe de galaxie le plus massif existant actuellement, avec des concentrations de matière noire (à gauche en bleu et pourpre) passant à la matière normale composée essentiellement de gaz d’hélium et d’hydrogène (à droite en rouge, orange et jaune)

La simulation est basée sur un principe fondamental de la lumière, la substance la plus rapide dans l’univers. La lumière voyage à une vitesse de 299 792 458 mètres par seconde alors, quand nous utilisons des télescopes pour regarder une galaxie à un milliard d’années-lumière, nous voyons le passé, la lumière qui a été émise il y a un milliard années. Ainsi, plus les astronomes regardent loin, plus ils remontent dans le temps.

Mais les observations des télescopes ne font que créer des parties distinctes de l’évolution de l’univers et ne permettent pas de visualiser, par exemple, la façon dont une galaxie en particulier se transforme dans le temps. Ainsi, les chercheurs qui ont mis au point l’Illustris devaient combler d’énormes lacunes/ manques dans l’espace et le temps en sondant les principes fondamentaux sur la façon dont la matière normale, la matière noire et l’énergie noire, les principaux composants de l’univers, interagissent dans l’espace. Comme on pouvait s’y attendre, des processus physiques et chimiques complexes influencent la façon dont les structures cosmiques se forment.

L’idée actuelle suggère que l’évolution des caractéristiques de l’espace est, selon les auteurs de l’étude :

Un processus d’autorégulation, en ce sens que les structures qui se forment, en particulier les étoiles et les trous noirs, affectent leur environnement et l’évolution ultérieure de la prochaine génération de structures. Dans l’Illustris, un ensemble global (même si incomplet) de processus physiques, tels que la formation des étoiles entrainée par les vents galactiques et l’injection d’énergie thermique des trous noirs, sont modélisés à travers l’histoire cosmique.

Ces simulations sont essentielles à la création d’un ensemble réaliste de galaxies modélisées. D’autres vidéos, produites par les chercheurs, montrent des coupes spécifiques de la simulation, comme les fluctuations de la température des gaz dans l’espace sur 13, milliards d’années, ou l’évolution complète d’une galaxie en particulier.

L’Illustris est comme une machine à voyager dans le temps. Nous pouvons avancer et reculer dans le temps. Nous pouvons mettre en pause la simulation et zoomer sur une seule galaxie ou un amas de galaxies pour voir ce qui se passe réellement.

Et nous pouvons également nous émerveiller, alors que nous volons à travers les filaments galactiques (qui rappellent des réseaux de neurones), sur la profondeur de l’espace et du temps et la puissante volonté humaine à le simuler.

L’étude publiée dans Nature : Properties of galaxies reproduced by a hydrodynamic simulation. Le site consacré à l’Illustris.

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