Les scientifiques ont créé l’une des simulations les plus vastes et les plus détaillées jamais développées de l’univers primitif, offrant une nouvelle manière remarquable d’explorer l’évolution du cosmos après le Big Bang. Connue sous le nom de « Lumina », la simulation a été construite par des chercheurs du Centre d’astrophysique | Harvard & Smithsonian pour aider les astronomes à interpréter les observations d’instruments puissants tels que le télescope spatial James Webb (JWST) et le télescope spatial Nancy Roman.
La recherche, publiée dans Avis mensuels de la Royal Astronomical Societyreconstruit les 2 premiers milliards d’années de l’univers en modélisant les interactions entre la matière ordinaire, la matière noire et le rayonnement. En comparant les prédictions de Lumina avec les observations des télescopes JWST, Roman et autres, les scientifiques peuvent évaluer dans quelle mesure les théories existantes expliquent l’évolution cosmique et identifier les découvertes qui pourraient remettre en question leur compréhension des lois fondamentales de l’univers.
Les astronomes ont passé des siècles à étudier le ciel et à développer des explications sur la formation des étoiles, des galaxies et d’autres structures cosmiques. Les superordinateurs modernes permettent désormais de transformer ces idées en simulations détaillées prédisant le comportement de l’univers. Lorsque les observations au télescope concordent avec ces prédictions, elles renforcent la confiance dans les théories actuelles. Des différences inattendues pourraient toutefois indiquer des processus physiques que les scientifiques ne comprennent pas encore pleinement.
“Avec JWST, l’univers primitif est devenu une nouvelle frontière passionnante en astrophysique”, a déclaré l’auteur principal Oliver Zier, chercheur de l’ITC au Centre d’astrophysique | Harvard et Smithsonian. “Pour comprendre ce que nous voyons avec ce télescope, nous devons traduire nos théories en prédictions détaillées. Après plusieurs années de travail, avec beaucoup de hauts et de bas, il est incroyablement gratifiant de voir les résultats de la simulation et de voir nos prédictions prendre vie en vidéo.”
Recréer les 2 premiers milliards d’années de l’Univers
Lumina est la plus grande simulation hydrodynamique de rayonnement cosmologique jamais produite. En termes simples, il utilise des ordinateurs puissants pour calculer comment le gaz, la matière noire et la lumière se sont influencés mutuellement au fur et à mesure du développement du jeune univers. En suivant ces interactions au cours des 2 milliards d’années qui ont suivi le Big Bang, les chercheurs peuvent examiner comment les premières galaxies se sont formées et comment leur activité a modifié les énormes nuages de gaz qui les entouraient.
La simulation modélise un volume d’espace plus de 100 fois plus grand que ceux couverts par des projets comparables antérieurs. Son univers virtuel s’étend sur un cube d’environ 1,5 milliard d’années-lumière de chaque côté, offrant une vision de l’évolution cosmique à une échelle comparable aux vastes régions que les télescopes les plus avancés d’aujourd’hui peuvent étudier.
Une autre avancée majeure est le traitement par Lumina de la réionisation de l’hélium, un processus dans lequel le rayonnement enlève les électrons des atomes d’hélium. Pour la première fois, une simulation de ce type suit cette transformation à mesure qu’elle se déroule tout en tenant compte de la manière dont elle affecte l’univers environnant. Cela permet aux scientifiques d’étudier la relation entre les galaxies en évolution, le rayonnement et le gaz qui remplit l’espace qui les sépare.
“Nous nous sentons incroyablement chanceux de pouvoir créer des simulations comme Lumina”, a déclaré Aaron Smith, professeur adjoint de physique à l’Université du Texas à Dallas et auteur de l’article. “Pour la première fois, nous pouvons suivre l’évolution de l’hydrogène et de l’hélium vers leur forme moderne sur un volume aussi énorme de l’univers, tout en continuant à résoudre les galaxies et autres objets lumineux à l’origine de cette transformation.”
Un supercalculateur massif alimente le cosmos virtuel
Recréer une si grande partie de l’histoire cosmique a nécessité des ressources informatiques extraordinaires. L’équipe a utilisé plus de 15 000 unités de traitement graphique sur Frontier, l’un des superordinateurs les plus rapides au monde, hébergé au laboratoire national d’Oak Ridge, dans le Tennessee.
Cette puissance de traitement a permis aux chercheurs de simuler une région exceptionnellement grande de l’univers primitif sans sacrifier les détails fins nécessaires à l’étude des galaxies individuelles et d’autres structures importantes. En conséquence, Lumina peut capturer l’évolution plus large du cosmos tout en suivant les processus impliqués dans la formation des étoiles, des galaxies et des trous noirs.
Tester les mystères du premier univers
Au-delà de la recréation de l’histoire cosmique, Lumina fournit un nouveau cadre puissant pour étudier le développement de l’univers. Les chercheurs prévoient de l’utiliser pour explorer le mouvement du gaz entre les galaxies, l’influence du rayonnement laissé par le Big Bang et l’émergence de régions où les étoiles se sont formées à des rythmes particulièrement élevés.
En plaçant ces prédictions aux côtés des observations du télescope spatial James Webb, du télescope spatial romain de Nancy et d’autres instruments, les scientifiques espèrent dresser un tableau plus complet des premiers chapitres de l’univers. Toute différence inattendue entre le cosmos simulé et le cosmos réel pourrait fournir des indices précieux, révélant potentiellement les domaines dans lesquels les théories actuelles doivent être affinées ou reconsidérées.
