L'un des plus grands superordinateurs du monde a réalisé la plus grande simulation de l'univers !

Comprendre l'origine et l'évolution de l'Univers est l'une des principales questions de l'astronomie et de la cosmologie. À cette fin, des modèles cosmologiques sont proposés pour expliquer les observations obtenues par les télescopes qui décrivent l'évolution de l'Univers. Les modèles cosmologiques sont basés sur la relativité générale et sur la composition de l'Univers telle que l'énergie noire, la matière noire, la matière baryonique et les interactions fondamentales.

Pour tester les modèles cosmologiques et les valeurs de chaque composant, des simulations cosmologiques sont nécessaires. Les simulations sont basées sur la résolution des équations de la relativité générale avec les composantes de l'univers. L'idée est de tester les paramètres et de résoudre les équations pour différentes combinaisons et de les comparer avec les données d'observation obtenues à l'aide de télescopes et d'observatoires.

Cependant, une simulation réaliste nécessite un énorme effort de calcul et des superordinateurs sont nécessaires pour y parvenir. Récemment, il a été annoncé que le superordinateur Frontier a été utilisé pour réaliser la plus grande simulation cosmologique jamais effectuée. Cette simulation a été réalisée par des scientifiques du laboratoire national d'Argonne, qui ont publié leurs résultats dans un communiqué de presse à la fin du mois de novembre.

Modèles cosmologiques

En utilisant les données d'observation et les équations de la physique, il est possible de construire des modèles cosmologiques pour expliquer l'origine et l'évolution de l'Univers. Différents modèles ont été proposés pour expliquer les données d'observation, dont le plus largement accepté est actuellement appelé Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM). Ce modèle décrit non seulement l'expansion accélérée de l'Univers, mais aussi son origine, le Big Bang.

La matière noire est un composant qui n'interagit pas avec la lumière et dont la présence est détectée indirectement par les effets gravitationnels. L'énergie noire, quant à elle, est associée à l'accélération de l'expansion cosmique. Ces deux composantes, ainsi que la matière baryonique, façonnent la structure de l'Univers et la manière dont l'expansion et l'évolution se produisent. Les données d'observation étant limitées, il est difficile de trouver des réponses.

Frontier

Comme nous n'avons qu'un seul univers, nous ne pouvons comparer que des données obtenues dans le même univers. Pour comprendre l'évolution et l'impact des paramètres, il est nécessaire d'utiliser des simulations informatiques. La complexité de ces simulations nécessite des ordinateurs très performants. L'un des plus grands est le supercalculateur Frontier, situé à l'Oak Ridge National Laboratory aux États-Unis.

Frontier se concentre précisément sur la réalisation de simulations scientifiques nécessitant une puissance de traitement élevée. Il s'agit en particulier de simulations cosmologiques détaillées avec différents paramètres. Grâce à la haute résolution que permet Frontier, les simulations cosmologiques permettent aux astronomes d'étudier en détail les structures galactiques et l'influence de la matière noire et de l'énergie noire. Même des objets tels que les trous noirs peuvent être étudiés à l'aide des simulations Frontier.

Simulations

Dans le passé, l'équipe du Argonne National Laboratory a réalisé trois simulations avec différents modèles cosmologiques. Chaque simulation a été baptisée avec le nom de planètes de l'univers Star Trek. La simulation Qo'noS a été réalisée en utilisant le modèle ΛCDM comme base, la simulation Vulcain incluait une description de neutrinos plus massifs, et Ferenginar, où l'énergie sombre évolue au fil du temps. Malgré les limitations de ces simulations, certains résultats ont été obtenus, comme des changements dans le regroupement des galaxies.

Parmi les limitations, citons l'absence de dynamique des gaz, de formation d'étoiles et d'autres interactions. Récemment, les chercheurs ont utilisé Frontier pour réaliser des simulations qui intègrent non seulement la gravité, mais aussi la matière noire, l'énergie noire, la formation d'étoiles, les trous noirs et les galaxies. Il s'agit de la meilleure et de la plus grande simulation de l'Univers jamais réalisée.

Quel est l'impact de l'énergie noire sur l'évolution de l'Univers ?

L'une des principales études de cette simulation est de comprendre comment la quantité d'énergie noire et de matière noire influe sur l'évolution de l'Univers. La matière noire joue un rôle important à l'échelle des galaxies et dans leur regroupement au sein du réseau cosmique. L'énergie noire, quant à elle, joue un rôle à l'échelle cosmologique. Curieusement, les deux jouent des rôles opposés, l'une attirant et l'autre repoussant.

La combinaison des deux influence la formation des galaxies et des amas de galaxies, c'est pourquoi il est important de comprendre ces composantes. En outre, d'autres composantes telles que la matière baryonique et des objets comme les trous noirs sont également nécessaires pour décrire l'Univers de manière réaliste. Les simulations de Frontier seront mises à la disposition d'autres groupes de chercheurs pour qu'ils puissent étudier les données.

Référence de l'article :

Record-breaking run on Frontier sets new bar for simulating the universe in the exascale era