Une nouvelle simulation informatique, Lumina, donne aux scientifiques une vue détaillée de la façon dont l’Univers primitif a pu émerger du « dark age » cosmique pour former les premières galaxies, les premières étoiles et du gaz réionisé. Publié dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, le travail combine la formation des galaxies et le transport du rayonnement dans un même modèle qui suit l’évolution cosmique sur 2 milliards d’années.
Points clés
- Lumina commence environ 45 millions d’années après le Big Bang, pendant les âges sombres de l’Univers.
- La simulation couvre 500 mégaparsecs, soit environ 1,6 milliard d’années-lumière.
- Elle suit la matière noire, le gaz, les étoiles et le rayonnement sur 2 milliards d’années de temps cosmique.
- Le projet s’appuie sur la simulation IllustrisTNG et a été exécuté sur le supercalculateur Frontier, au Oak Ridge National Laboratory.
- L’équipe affirme que Lumina capture pour la première fois la réionisation de l’hydrogène et celle de l’hélium dans une seule simulation.
Ce que Lumina change pour les chercheurs qui étudient l’Univers primitif
Pour les astronomes et les cosmologistes, Lumina offre un nouveau moyen de comparer la théorie aux observations des télescopes actuels et à venir. L’équipe indique que la simulation produit de vastes populations de galaxies pouvant être confrontées aux futures données d’enquête, ce qui pourrait aider à mieux cerner la formation des premières galaxies et des premiers trous noirs.
La simulation compte aussi parce qu’elle relie des processus à petite échelle, comme la formation d’étoiles dans les galaxies, à la réionisation cosmique à grande échelle. Les chercheurs disposent ainsi d’un outil pour étudier comment la lumière ultraviolette des premières galaxies et la lumière énergétique des trous noirs supermassifs ont modifié l’état de l’hydrogène et de l’hélium dans l’Univers.
- Qui est concerné : les chercheurs qui étudient les premières galaxies, la réionisation cosmique et la structure à grande échelle.
- Ce que cela apporte : des résultats à haute résolution sur un volume bien plus vaste que les meilleures simulations précédentes, selon l’équipe.
- Étape suivante : les chercheurs prévoient d’utiliser Lumina pour cartographier la structure à grande échelle de l’Univers primitif et prédire d’éventuels motifs d’ondes gravitationnelles.
Que simule Lumina ?
Lumina suit la matière noire, le gaz, les étoiles et le rayonnement à travers une portion de l’Univers primitif large de 500 mégaparsecs. La simulation démarre pendant les âges sombres, quand l’hydrogène neutre dominait, puis accompagne l’Univers à travers les grands changements au cours desquels l’hydrogène et l’hélium deviennent réionisés.
Selon les chercheurs, la réionisation de l’hydrogène a été provoquée par la lumière des premières galaxies et des premières étoiles, tandis que la réionisation de l’hélium a été alimentée par un rayonnement beaucoup plus énergétique provenant des premiers trous noirs supermassifs en phase active d’accrétion. L’équipe affirme qu’il s’agit de la première simulation à capturer ces deux processus.
Pourquoi cette simulation est-elle importante ?
Les chercheurs disent que Lumina comble un écart majeur entre des échelles très petites et très grandes. Elle modélise un demi-billion d’éléments individuels, dont des particules de matière noire et des cellules de gaz, avec une résolution environ 30 fois supérieure à celle d’IllustrisTNG, tout en couvrant un volume environ 100 fois plus grand que les simulations antérieures.
Cette combinaison permet de suivre la formation des halos de matière noire, l’effondrement du gaz en galaxies et la propagation du rayonnement émis par les premières étoiles. L’équipe explique que la simulation doit aider à interpréter les instantanés fournis par les télescopes nouveaux et futurs.
Comment Lumina a-t-elle été calculée ?
Le calcul a nécessité d’importantes ressources de supercalcul. L’équipe a exécuté Lumina sur Frontier, le supercalculateur du Oak Ridge National Laboratory dans le Tennessee, et indique que le calcul a mobilisé l’équivalent de plus de 100 000 cœurs CPU et d’environ 15 000 GPU au pic.
Le projet s’appuie sur IllustrisTNG, développé auparavant par des scientifiques du MIT et d’ailleurs. Pour Lumina, l’équipe a perfectionné ce code afin de modéliser la formation des galaxies avec davantage de détails sur un volume cosmique bien plus vaste, tout en l’associant à la physique du transport du rayonnement.
Et après ?
L’équipe prévoit d’utiliser Lumina pour cartographier la structure à grande échelle de l’Univers primitif et explorer les motifs d’ondes gravitationnelles que pourraient produire les premières galaxies et les premiers trous noirs. Elle estime aussi que la simulation peut être comparée aux données des futures campagnes d’observation, au fur et à mesure qu’elles deviendront disponibles.
En ce sens, Lumina n’est pas seulement une reconstruction visuelle de l’Univers primitif. C’est aussi un banc d’essai pour vérifier si la physique intégrée dans les modèles actuels peut reproduire la structure que les astronomes s’attendent à retrouver dans les données réelles.
