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Tout l’Univers dans un ordinateur

Faute de pouvoir observer l’Univers dans son ensemble, les astrophysiciens cherchent à le recréer numériquement. Ils utilisent des superordinateurs capables de supporter la myriade de calculs et de données nécessaires.
Les contributions françaises dans ce domaine sont parmi les plus avancées. L’ambition est de simuler tout l’Univers observable! Ce calcul inclut les étoiles, galaxies, trous noirs, nébuleuses, etc., mais aussi l’histoire de l’Univers depuis le Big Bang; du «détail» au global. Les projets y incluent également les phénomènes mystérieux: l’énergie noire et la matière sombre.

Pourquoi récréer l’Univers sur un ordinateur?

Les astronomes qui étudient le cosmos ont pour objectif de mieux comprendre les lois qui régissent l’Univers. Cette discipline s’appelle la cosmologie. Les cosmologistes disposent de nombreux instruments d’observation et de calculs. Ils font toutefois face à un obstacle de taille, celui de leur position unique dans l’Univers: le Système solaire dans la Voie lactée. Observer l’Univers depuis un angle et un endroit différent ne peut être fait que grâce à des simulations numériques qui reposent sur le modèle le plus plausible.
Le modèle cosmologique standard, également appelé modèle de concordance, décrit le plus fidèlement ce que nous connaissons de l’histoire de l’Univers observable, en tout cas pour l’instant. Cet Univers a deux principales caractéristiques. Il est homogène: sa structure à grande échelle reste la même qu’à petite échelle. Et il est en expansion. Le but de la cosmologie est d’expliquer les structures formées au sein de cet Univers et de proposer un modèle capable d’expliquer tous les phénomènes observés. Le modèle standard de la cosmologie s’en approche mais ne parvient pas à tout expliquer.
C’est là qu’entrent en jeu les modèles informatiques. La simulation numérique est un nouvel outil qui permet aux astrophysiciens de tester les théories de formation et d'évolution des structures de l'Univers, du Big Bang à nos jours. La complexité de la tâche est à la hauteur du défi: comprendre les rouages à l'origine des milliards de galaxies qui nous entourent, et notamment la nôtre.

Qu’est-ce qu’une simulation numérique?

De telles modélisations exigent une capacité de calculs colossale. Essayez de vous imaginer l’Univers dans son ensemble. Votre cerveau a de grandes chances d’être embarrassé tant les proportions et les chiffres sont incommensurables. Selon les dernières estimations, l’Univers observable à l’intérieur de notre horizon, mesurerait 42 milliards d’années-lumière! L’Univers contiendrait environ 200 milliards de galaxies, lesquelles contiennent des centaines de milliards d’étoiles et davantage de planètes. Reste encore à prendre en compte tous les phénomènes physiques et chimiques en jeu pour tous les objets célestes que contient notre Univers, les reconstituer sur la période de 13,7 milliards d’années et le tour est joué!
Les cosmologistes font donc appel à des supercalculateurs capables d’effectuer chaque seconde quelques 2 millions de milliards d’opérations. Pour mener à bien un tel projet, un supercalculateur a besoin d’environ 1000 heures de temps, soit de l’ordre de 30 millions d’heures de calcul sur un seul processeur.
Ces chiffres ne prennent toutefois en compte que la reconstitution de ce qu’on appelle l’Univers observable: les planètes, étoiles et tout objet dont l’existence a été directement établie. Il existe cependant des phénomènes dont l’existence n’est qu’indirectement attestée. Les cosmologistes ont pu déduire leur existence grâce aux effets qu’ils ont sur la matière visible, mais sans jamais pouvoir les observer. À cette échelle-là, le puzzle se corse.

Que reste-t-il à découvrir?

Selon le modèle cosmologique standard, l’Univers serait composé de 4,8% de matière ordinaire (atomes, molécules), de 25,8% de matière noire et de 69,4% d’énergie noire. Le cosmos serait donc composé à presque 95% de phénomènes que nous sommes incapables de détecter directement.
Ces phénomènes hypothétiques permettent d’expliquer le modèle cosmologique du Big Bang. L’existence de la matière noire, appelée aussi matière sombre, est suggérée par la différence énorme qui existe entre la masse réelle des galaxies et la matière théorique qui devrait être contenue dans l’Univers. Au sein des galaxies, il existerait donc une forme invisible de matière très lourde qui expliquerait la manière dont les objets s’organisent. L’énergie noire, également peu connue, serait responsable de l’expansion accélérée de l’Univers. Son existence a pour la première fois été introduite par Albert Einstein dans sa théorie de la relativité générale afin d’expliquer la présence d’une force qui s’opposerait à la gravitation.
La relativité d’Einstein a également prédit un autre phénomène mystérieux: les ondes gravitationnelles. Des phénomènes violents, comme la fusion de deux étoiles, peuvent déformer la courbure de l’espace-temps, une surface théorique qui décrit la trajectoire des corps célestes. Cela crée une onde qui déforme la distance entre deux objets et se propage sur plusieurs milliers d’années-lumière. Très difficilement détectable, ce phénomène pourrait être mieux compris grâce à des simulations.

Quels sont les grands projets?

La recherche française est très avancée dans le domaine de la simulation numérique de l‘Univers. Plusieurs projets sont en cours en Île-de-France.
Le projet DEUS (Dark Energy Universe Simulation) est une collaboration du Laboratoire Univers et Théories (LUTh) au sein d’un consortium. Il a pour but de tester plusieurs modèles de l’Univers avec différentes hypothèses sur la nature de l’énergie noire: qu’il s’agisse d’une constante cosmologique, d’un 5ème élément, ou de la manifestation d’une modification de la gravité.
Les interactions entre galaxies et les fusions jouent un rôle fondamental dans la formation et l’évolution des galaxies à partir de l’agrégation de petites structures. Ces interactions produisent des phénomènes spectaculaires, notamment des flambées de formation d’étoiles. Le projet GALMER (Galaxy Mergers) des Laboratoire d’Étude du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique (LERMA) et Galaxies, Étoiles, Physique et Instrumentation (GEPI) se propose d’étudier ces phénomènes de façon statistique, en explorant de façon systématique toute la gamme de paramètres physiques impliqués: les rapports de masse entre les galaxies en interaction, les paramètres géométriques et orbitaux, le type et la distribution de masse des structures initiales, etc. Les simulations sont faites pour toutes les conditions initiales à toutes les époques de l’Univers. Les simulations démontrent ainsi l'impact des interactions sur la formation d’étoiles, la forme et l’évolution des galaxies.