Synopsis :

Le projet Illustris a permis de modéliser l'apparition d'environ un million de galaxies et leur évolution sur plus de 13 milliards d'années.

C'est une recette bien connue des astrophysiciens: prenez une cuillère de matière, une grosse louche d'énergie, arrosez de quelques équations et d'une pincée de paramètres cosmologiques, puis laissez mijoter dans un supercalculateur. Avec beaucoup de savoir-faire et un peu de chance, vous réussirez peut-être à reconstituer l'aspect de l'univers tel que nous l'observons aujourd'hui, 13,8 milliards d'années après le Big Bang.

Dans un article publié jeudi dans Nature, les chercheurs du projet germano-anglo-américain Illustris présentent la tentative la plus aboutie de tambouille cosmique: une simulation reconstituant la fine évolution d'une belle portion de l'univers visible (un cube de plus de 300 millions d'années-lumière de côté, soit un cent-millième de tout l'univers visible!) pendant 13,4 milliards d'années (voir vidéos ci-dessus et ci-dessous). Avec un ordinateur classique, il aurait fallu deux mille ans pour obtenir un tel film. Les supercalculateurs utilisés (l'un allemand, SuperMUC, l'autre français, CURIE) n'ont eu besoin «que» de trois mois.

La matière ordinaire plus difficile à modéliser que la matière noire.

La modélisation démarre 400 millions d'années après le Big Bang. À cette époque reculée, la matière noire, une substance de nature mystérieuse sensible uniquement à la gravité, commence à former de minces filaments. La structure de cette toile primordiale est tirée de la carte du fond diffus cosmologique, la première lumière émise par l'univers 300 000 ans après le Big Bang (les petites fluctuations du rayonnement fossile traduisent en effet la présence des premiers grumeaux de matière qui donnent naissance aux filaments).

Dès le début de la simulation, ce réseau (en bleu-violet) attire la matière noire environnante. Les filaments grossissent, puis se contractent sous l'effet de leur propre poids. Ces phénomènes purement gravitationnels forment des colliers de perles très denses (les tâches blanches). Ces halos de matière noire attirent la matière ordinaire, essentiellement de l'hydrogène et de l'hélium. En se refroidissant, ces nuages s'effondrent pour former des galaxies (il y en a environ un million dans cette simulation) contenant chacune des milliards d'étoiles. À titre de comparaison, une galaxie comme notre Voie lactée est environ vingt fois moins volumineuse que le halo de matière noire dans lequel elle s'est formée (en masse, il y a environ cinq fois moins de matière ordinaire que de matière noire dans l'univers).

À partir de là, les choses se compliquent. «La matière noire n'est sensible qu'à la gravité, elle est donc très facile à modéliser et ne représente que 5 % du temps de calcul», explique Frédéric Bournaud, chercheur au CEA. «En revanche, pour la matière ordinaire, il faut prendre en compte les collisions, la température, le rayonnement et bien d'autres phénomènes physiques. C'est une tâche beaucoup plus complexe.»

La simulation Illustris intègre plus finement qu'auparavant les explosions d'étoiles (les fameuses supernovæ) ainsi que l'effondrement des gigantesques nuages de gaz dans les trous noirs supermassifs nichés au cœur des galaxies. Ces phénomènes extrêmement énergétiques créent des ondes de choc (les bulles rouges-orange) qui dispersent et réchauffent le gaz intergalactique. «Ce mécanisme permet de réduire le taux de formation d'étoiles», note Françoise Combes, astronome à l'Observatoire de Paris, spécialiste de la dynamique des galaxies. «Mais leur nombre est encore un peu trop élevé dans ce modèle par rapport à la réalité.» Conséquence: trop de galaxies, trop massives, qui se forment trop tôt.

Cette simulation parvient néanmoins à former tous les types de galaxies (spirales, elliptiques, irrégulières). «Les résultats sont magnifiques, ils reproduisent même les teintes des galaxies, les bras des spirales et beaucoup de détails très fins, s'enthousiasme Yohan Dubois, membre d'un projet français concurrent, Horizon. La distribution, le nombre et la forme des galaxies se rapprochent de plus en plus des observations. Les modèles classiques semblent bel et bien suffire à expliquer les grandes structures de l'Univers.»

Les différents types de galaxies.

Les auteurs parviennent ainsi avec leur simulation à construire des images comparables à celles qu'a prises le télescope spatial Hubble. Aux grandes échelles, la concentration en éléments lourds, notamment métalliques, est également compatible avec les observations.
Tous ces résultats très positifs sont à mettre au crédit du code utilisé. Plutôt que de découper l'échantillon d'univers en petit cubes fixes sur lesquels on effectue des calculs, le maillage est «flottant» et suit les déplacements de matière. Chaque maille contient quelques millions de masses solaires de matière ordinaire. «La grille se déforme en fonction de la densité: plus la concentration en matière est forte, plus elle s'affine», explique Yohan Dubois. Cette ruse est un peu plus coûteuse en temps de calcul, mais elle est de toute évidence efficace.

Source : Le Figaro.

Des images magnifiques de notre Univers, impossibles à voir sans la puissance des ordinateurs.