Les astronomes réalisent la plus grande simulation informatique cosmologique de tous les temps.

23 octobre 2023

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relecture par la Royal Astronomical Society

Une équipe internationale d'astronomes a réalisé ce qui est considéré comme la plus grande simulation informatique cosmologique jamais effectuée, suivant non seulement la matière noire mais aussi la matière ordinaire (comme les planètes, les étoiles et les galaxies), nous offrant un aperçu de l'évolution de notre univers.

Les simulations FLAMINGO calculent l'évolution de toutes les composantes de l'univers - matière ordinaire, matière noire et énergie sombre - selon les lois de la physique. Au fur et à mesure de la simulation, des galaxies virtuelles et des amas de galaxies apparaissent. Trois articles ont été publiés dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society : l'un décrivant les méthodes, un autre présentant les simulations et le troisième examinant dans quelle mesure les simulations reproduisent la structure à grande échelle de l'univers.

Des installations telles que le télescope spatial Euclid récemment lancé par l'Agence spatiale européenne (ESA) et le JWST de la NASA collectent d'importantes quantités de données sur les galaxies, les quasars et les étoiles. Des simulations comme FLAMINGO jouent un rôle clé dans l'interprétation scientifique des données en reliant les prédictions des théories de notre univers aux données observées.

Selon la théorie, les propriétés de tout notre univers sont déterminées par quelques nombres appelés « paramètres cosmologiques » (six d'entre eux dans la version la plus simple de la théorie). Les valeurs de ces paramètres peuvent être mesurées avec une grande précision de différentes manières.

Une de ces méthodes repose sur les propriétés du rayonnement de fond cosmique (CMB), une faible lueur de fond laissée par le début de l'univers. Cependant, ces valeurs ne correspondent pas à celles mesurées par d'autres techniques qui reposent sur la manière dont la force gravitationnelle des galaxies dévie la lumière (lentille gravitationnelle). Ces « tensions » pourraient signaler la disparition du modèle standard de la cosmologie - le modèle de la matière noire froide.

Les simulations informatiques pourraient révéler la cause de ces tensions car elles peuvent informer les scientifiques sur les biais possibles (erreurs systématiques) dans les mesures. Si aucune de ces explications ne suffit à expliquer les tensions, alors la théorie sera en réelle difficulté.

Jusqu'à présent, les simulations informatiques utilisées pour comparer les observations ne suivent que la matière noire froide. "Bien que la matière noire domine la gravité, la contribution de la matière ordinaire ne peut plus être négligée", déclare le chef de projet Joop Schaye (université de Leyde), "car cette contribution pourrait être similaire aux écarts entre les modèles et les observations".

Les premiers résultats montrent que les neutrinos et la matière ordinaire sont tous deux essentiels pour des prédictions précises, mais n'éliminent pas les tensions entre les différentes observations cosmologiques.

Les simulations qui suivent également la matière ordinaire, la matière barionique (également appelée matière baryonique), sont beaucoup plus complexes et nécessitent beaucoup plus de puissance de calcul. En effet, la matière ordinaire - qui ne représente que seize pour cent de toute la matière dans l'univers - subit non seulement la gravité mais aussi la pression du gaz, qui peut expulser la matière des galaxies grâce aux trous noirs actifs et aux supernovae jusqu'à l'espace intergalactique.

La puissance de ces vents intergalactiques dépend des explosions dans le milieu interstellaire et il est très difficile de les prédire. De plus, la contribution des neutrinos, des particules subatomiques de masse très petite mais non précisément connue, est également importante, mais leur mouvement n'a pas encore été simulé.

Les astronomes ont réalisé une série de simulations informatiques pour suivre la formation de la structure en matière noire, en matière ordinaire et en neutrinos. Le doctorant Roi Kugel (université de Leyde) explique : "L'effet des vents galactiques a été calibré à l'aide de l'apprentissage automatique, en comparant les prédictions de nombreuses simulations différentes de volumes relativement petits avec les masses observées des galaxies et la distribution du gaz dans les amas de galaxies."

Les chercheurs ont simulé le modèle qui décrit le mieux les observations de calibration avec un supercalculateur dans différents volumes cosmiques et à différentes résolutions. De plus, ils ont varié les paramètres du modèle, y compris la force des vents galactiques, la masse des neutrinos et les paramètres cosmologiques dans des simulations de volumes légèrement plus petits mais toujours importants.

The largest simulation uses 300 billion resolution elements (particles with the mass of a small galaxy) in a cubic volume with edges of ten billion light years. This is believed to be the largest cosmological computer simulation with ordinary matter ever completed. Matthieu Schaller, of Leiden University, said, 'To make this simulation possible, we developed a new code, SWIFT, which efficiently distributes the computational work over 30 thousand CPUs.'

The FLAMINGO simulations open a new virtual window on the universe that will help make the most of cosmological observations. In addition, the large amount of (virtual) data creates opportunities to make new theoretical discoveries and to test new data analysis techniques, including machine learning.

Using machine learning, astronomers can then make predictions for random virtual universes. By comparing these with large-scale structure observations, they can measure the values of cosmological parameters. Moreover, they can measure the corresponding uncertainties by comparing with observations that constrain the effect of galactic winds.

More information: Joop Schaye et al, The FLAMINGO project: cosmological hydrodynamical simulations for large-scale structure and galaxy cluster surveys, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2023). DOI: 10.1093/mnras/stad2419

Roi Kugel et al, FLAMINGO: Calibrating large cosmological hydrodynamical simulations with machine learning, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2023). DOI: 10.1093/mnras/stad2540

Journal information: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

Provided by Royal Astronomical Society