Développé avec le superordinateur Frontier, le modèle Lumina reconstitue l’interaction entre la matière ordinaire, la matière noire et le rayonnement au cours des deux premiers milliards d’années après le Big Bang
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Le James Webb Space Telescope (JWST) et, prochainement, le télescope spatial Nancy Grace Roman, travaillant ensemble, nous dévoilent les premiers chapitres de l’histoire de l’Univers avec un niveau de détail sans précédent. Mais pour comprendre réellement ce que nous regardons, il faut autre chose qu’une belle photographie : il faut une référence.
C’est ici qu’intervient Lumina, le nouveau modèle développé par les chercheurs du Centre d’Astrophysique | Harvard & Smithsonian et publié dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Il s’agit de l’une des simulations les plus vastes et les plus détaillées jamais réalisées de l’Univers primordial : il reconstitue comment la matière ordinaire, la matière noire et le rayonnement ont interagi pendant les deux premiers milliards d’années après le Big Bang.
Une théorie qui se met à l’épreuve
Depuis des siècles, les astronomes observent le ciel et construisent des modèles pour expliquer comment naissent les étoiles, les galaxies et les grandes structures cosmiques. Aujourd’hui, les supercalculateurs permettent de transformer ces hypothèses en prévisions précises. Le mécanisme est simple : lorsque les observations concordent avec les prévisions, la confiance dans l’hypothèse augmente ; si ce n’est pas le cas, cela ouvre la voie à de nouvelles découvertes.
«Pour comprendre ce que nous observons avec le JWST, nous devons traduire nos hypothèses en prévisions détaillées. Après des années de travail, avec de nombreux hauts et bas, il est incroyablement gratifiant de voir les résultats et de constater que nos prévisions prennent vie dans les vidéos», a expliqué Oliver Zier, premier auteur de l’étude et chercheur au Centre d’Astrophysique
Des chiffres records
Lumina est la plus grande simulation cosmologique de rayonnement-hydrodynamique jamais réalisée. Le nom est compliqué, l’idée, non : le modèle fait interagir gaz, matière noire et lumière, les trois ingrédients fondamentaux qui ont donné naissance aux étoiles et aux galaxies. Le résultat est l’histoire de la façon dont les premières galaxies sont nées et ont transformé le gaz qui les entourait. Dans la simulation, le volume couvre un espace plus de 100 fois plus vaste que les modèles comparables du passé, équivalant à un cube d’environ 1,5 milliard d’années-lumière de côté. C’est une échelle comparable à ce que les télescopes les plus puissants d’aujourd’hui parviennent à observer.
Lumina est le premier programme capable de capter la réionisation de l’hélium (la réionisation de l’hélium est le moment où la lumière extrêmement intense des premiers quasars, les noyaux brillants de galaxies alimentés par des trous noirs, a arraché les électrons aux atomes d’hélium qui remplissaient l’espace entre les galaxies, les transformant en particules électriquement chargées) au moment où elle se produit, laissant que ses effets influencent immédiatement l’évolution du modèle.
«Pour la première fois, nous pouvons suivre la transformation de l’hydrogène et de l’hélium dans leur état actuel dans un volume aussi vaste de l’Univers, tout en parvenant à distinguer les galaxies et les autres objets lumineux qui guident ce processus», a déclaré Aaron Smith, professeur associé de physique à l’Université du Texas à Dallas et co-auteur de l’étude.
La force brute des supercalculateurs
Pour faire tourner Lumina, il a fallu plus de 15 000 unités de traitement graphique (GPU) sur le superordinateur Frontier, l’un des plus rapides au monde, au Oak Ridge National Laboratory, dans le Tennessee. Une puissance de calcul qui a permis d’embrasser une immense portion de l’Univers sans renoncer aux détails nécessaires pour étudier la naissance des galaxies, des étoiles et des trous noirs. Et le travail ne fait que commencer.
L’équipe a conçu Lumina comme une plateforme ouverte à de nouvelles idées : à l’avenir, elle servira à comprendre comment se déplace le gaz entre les galaxies, comment le rayonnement issu du Big Bang a façonné le cosmos et comment les régions où les étoiles naissent plus intensément ont évolué au fil du temps.
