La plus grande simulation de l'univers réalisée : elle aidera à comprendre l'évolution du cosmos

par Baptiste

25 Novembre 2023

La plus grande simulation de l'univers réalisée : elle aidera à comprendre l'évolution du cosmos
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La question des questions a toujours été la même pour les êtres humains : comment notre monde est-il né ? Comment la matière et tout le reste de l'Univers sont-ils nés ? Un nouveau projet pourrait aider les astronomes à se rapprocher de la réponse.

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Qu'est-ce que la matière de l'Univers ?

Qu'est-ce que la matière de l'Univers ?

Oxford Academic

La matière dans l'Univers est une composante fondamentale de sa structure. Elle se présente sous diverses formes, des particules subatomiques aux étoiles et aux galaxies, créant une vaste diversité de structures et de phénomènes. Les éléments chimiques, constitués d'atomes, forment la base de la matière. À travers des processus tels que la fusion nucléaire dans les étoiles, les éléments plus légers se combinent pour former des éléments plus lourds. Les êtres humains ont toujours cherché à découvrir comment l'Univers s'est créé : au-delà de notre planète se trouve un espace infini qui doit, d'une manière ou d'une autre, avoir eu un début. On dit que, même en essayant d'imaginer l'immensité de l'Univers, il nous serait impossible de le faire. En effet, il s'agit d'une grandeur trop immense pour qu'une personne puisse la visualiser.

La matière s'assemble en vastes amas gravitationnels, formant ensuite des galaxies qui comprennent des planètes, des étoiles et d'autres corps célestes. Elle interagit également avec le champ gravitationnel et est impliquée dans des phénomènes cosmologiques tels que l'expansion de l'Univers, qui, selon les observations, est en expansion continue, avec des galaxies lointaines s'éloignant les unes des autres. La matière noire, en revanche, n'est pas encore complètement comprise, mais elle contribue de manière significative à la masse totale de l'univers, bien qu'elle n'émette, n'absorbe ni ne réfléchisse la lumière. En somme, la matière dans l'Univers est extrêmement diversifiée, des particules subatomiques aux immenses structures galactiques, et ses dynamiques sont essentielles pour comprendre l'évolution et la structure de l'Univers lui-même.

Cependant, malgré le fait que nous puissions admirer un nombre incroyable de galaxies et d'étoiles, nous ne connaissons toujours pas la réponse à une question d'une importance ancestrale : combien de matière y a-t-il dans l'univers ?

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Le projet FLAMINGO, la plus grande simulation de l'Univers

Le projet FLAMINGO, la plus grande simulation de l'Univers

Oxford Academic

Les experts, tout en cherchant à quantifier la réponse, ne parviennent pas à se mettre d'accord. L'observation du cosmos suscite des doutes sur la façon dont la matière est réellement distribuée dans l'Univers et comment. Cependant, une nouvelle simulation pourrait être utile pour fournir une évaluation plus précise : en suivant la trajectoire de tous les éléments dont l'Univers est composé, y compris la matière ordinaire, la matière noire et l'énergie noire, elle observe comment ceux-ci évoluent conformément aux lois de la physique. Sur les images de la simulation, on peut voir numériquement les galaxies alimentées par ce qui est appelé le réseau cosmique, la plus grande structure de tout l'univers, constituée de filaments composés de matière normale et de matière noire.

Le projet FLAMINGO (Full-idro Large-scale Structure Simulations with All-sky Mapping for the Interpretation of Next Generation Observations), du consortium VIRGO, réalisé via un superordinateur à l'Université de Durham, au Royaume-Uni, est la plus grande simulation cosmologique jamais réalisée. Dans la représentation, on observe 300 milliards de particules réparties dans un volume cubique de 9,1 milliards d'années-lumière.
Matthieu Schaller, de l'Université de Leyde, a expliqué : « Pour rendre cette simulation possible, nous avons développé un nouveau code, SWIFT, qui distribue efficacement le travail de calcul sur 30 000 CPU. »
Sur l'image d'arrière-plan, on observe la distribution actuelle de la matière noire, avec trois zooms sur le plus grand amas de galaxies, détectant la température du gaz, la densité de la matière et le contrôle des rayons X.

La plus grande simulation de l'Univers comprend la matière ordinaire

La plus grande simulation de l'Univers comprend la matière ordinaire

Freepik

Pour obtenir une simulation complète de l'Univers, il est donc nécessaire d'inclure non seulement la matière baryonique, c'est-à-dire les planètes, les galaxies et les étoiles, mais aussi la matière noire, qui ne peut être détectée que par son influence gravitationnelle sur la matière baryonique, et l'énergie noire. Une fois cela fait, il faut également tenir compte de l'interaction entre les parties par le biais de la gravité, de la réaction de la matière noire au repositionnement des baryons, de la réaction de la matière ordinaire à la pression du gaz et d'autres processus. Ainsi, en prenant note de toutes ces informations et en les intégrant dans la simulation, FLAMINGO propose une reproduction de l'univers à l'échelle et compare les différentes prévisions et théories à son modèle virtuel. Lorsque les paramètres cosmologiques introduits ne coïncident pas avec les observations hypothétisées, cela génère ce que l'on appelle des "tensions" : l'une d'entre elles est appelée tension8 et concerne les propriétés du fond cosmique, c'est-à-dire la lumière encore visible depuis les débuts de l'Univers, le Big Bang. Les mesures ont produit des valeurs différentes, que les astronomes doivent encore comprendre et résoudre.

Joop Schaye, professeur à l'Université de Leyde aux Pays-Bas et coauteur du projet FLAMINGO, présenté dans trois études distinctes, a déclaré : « Bien que la matière noire domine la gravité, la contribution de la matière ordinaire ne peut plus être négligée. » En fin de compte, les simulations sont un outil exceptionnel pour permettre aux scientifiques de revoir leurs modèles et de les adapter à la véritable distribution de l'Univers, résolvant les "tensions" et acquérant des informations de plus en plus précises et détaillées sur la façon dont tout a commencé.

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