VIDÉO : 13,8 milliards d’années d’évolution cosmique en 2 minute

[edenmartine]

Une nouvelle simulation numérique permet de reproduire avec une précision inédite l’évolution de la matière et la formation des galaxies durant plus de 13 milliards d’années au sein d’un cube de 350 millions d’années-lumière de côté.

Ne pouvant réaliser aucune expérience pratique avec des étoiles ou des galaxies, les astrophysiciens tentent d’expliquer leurs observations ou de conforter leurs hypothèses en créant des simulations numériques. Tributaires de leur compréhension initiale des phénomènes physiques impliqués, des moyens mathématiques à leur disposition pour les modéliser et de la puissance de calcul des ordinateurs, les chercheurs peuvent profiter de l’amélioration constante de ce dernier point pour raffiner régulièrement les paramètres de leurs simulations et pour tenter d’approcher un peu plus la réalité.


Dans un article publié le 8 mai par la revue scientifique à comité de lecture Nature, Mark Vogelsberger (Massachusetts Institute of Technology, États-Unis) et ses collègues présentent Illustris, une simulation informatique qui débute 12 millions d’années après le Big Bang et retrace plus de 13 milliards d’années d’évolution cosmique dans un cube d’un peu moins de 350 millions d’années-lumière de côté. Nous sommes tous habitués à l’aspect de toile d’araignée que présente notre univers à grande échelle et que révélaient superbement les premières générations de simulations cosmiques. Cet aspect a été confirmé par les observations télescopiques et par les mesures de distances d’un nombre croissant de galaxies situées autour de nous dans l’espace. Mais ces simulations ne parvenaient pas à rendre correctement la distribution des différents types de galaxies (spirales, elliptiques, irrégulières), pas plus qu’elles ne donnaient des résultats satisfaisants sur leur contenu en gaz et sur l’évolution de leur richesse en éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium. Dix fois plus précise que les précédentes simulations, Illustris parvient à faire cela.

Baptisée Illustris, la simulation numérique réalisée par Mark Vogelsberger et ses collègues atteint une précision inédite à ce jour. Ce gros plan, centré sur l’amas de galaxies le plus massif créé par la simulation, révèle toute la complexité de la trame cosmique à l’époque actuelle, avec les filaments de gaz (en bleu) qui s’étirent entre les amas et les superamas de galaxies et les bulles orangées qui signalent l’influence intergalactique des trous noirs supermassifs.
© Illustris Collaboration
Mark Vogelsberger et ses collègues ont découpé leur cube d’« univers témoin » en 12 milliards de cellules contenant du gaz et cette fameuse matière noire qui défie les cosmologistes. Ils ont réglé les paramètres initiaux et placé le curseur sur 12 millions d’années après le Big Bang avant de lancer leur nouvel algorithme (AREPO) pour simuler les interactions hydrodynamiques des cellules, cet algorithme s’adaptant en continu au gré de l’évolution des structures créées. Ils ont, en outre, inclus une multitude de contraintes liées aux modèles de formation des galaxies, des étoiles et des trous noirs supermassifs. Ils ont également tenu compte du refroidissement du gaz dans les nébuleuses interstellaires et intergalactiques, de la formation des éléments lourds par les générations successives d’étoiles et par les explosions de supernovae, de l’action des trous noirs supermassifs actifs dans les noyaux galactiques, et des effets conjugués de tous ces acteurs sur les vents stellaires et galactiques. Le résultat est une simulation qui colle remarquablement bien aux données observationnelles les plus récentes obtenues avec les plus grands télescopes terrestres et spatiaux. La comparaison de l’image réalisée par le télescope spatial Hubble lors du Hubble Ultra Deep Field avec l’image calculée avec Illustris est particulièrement spectaculaire. L’image calculée ne se contente pas d’être ressemblante en matière de densité de galaxies et de répartition de celles-ci dans le champ, elle est également parfaitement cohérente en ce qui concerne les types de galaxies présentes, leur morphologie, leur luminosité et leur couleur.

Comparaison Hubble Ultra Deep Field (UDF) et Illustris
La comparaison du champ photographié par le télescope spatial Hubble (b) avec la simulation d’un champ du même type obtenu avec Illustris (c) témoigne de la qualité de cette nouvelle simulation. La remarquable précision des images créées par Illustris permet de distinguer clairement plusieurs types de galaxies (a).
© Nature
Mais Illustris ne donne pas seulement de bons résultats à grande échelle, sur les vastes champs et les amas et superamas galactiques. La précision des calculs, pour chaque galaxie de la simulation, donne également une indication de la présence de nuages d’hydrogène tout à fait comparable à celle que les astronomes ont pu déterminer avec les observations du radiotélescope d’Arecibo pour certaines galaxies proches de la nôtre. Comme les nouvelles générations d’étoiles se forment dans ce type de nuages interstellaires, la quantité d’hydrogène disponible dans une galaxie est un bon moyen de connaître son potentiel de formations stellaires et donc son évolution possible. Illustris intègre aussi des données sur l’enrichissement progressif du milieu interstellaire et des étoiles en éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium. Au total, cette simulation permet de suivre l’évolution de l’abondance de neuf éléments : hydrogène, hélium, carbone, oxygène, azote, néon, magnésium, silicium et fer.

© Mark Vogelsberger et al.
Les plus petites cellules utilisées pour les calculs dans Illustris mesurent 150 années-lumière de côté, nous sommes donc encore loin de la résolution qui permettra peut-être un jour de simuler jusqu’à la formation des étoiles individuelles et des systèmes planétaires. Mark Vogelsberger et ses collègues ne cachent pas dans leur article que certains points ne sont pas encore correctement traités par leur simulation. Ils soulignent, par exemple, le problème des galaxies peu massives qui apparaissent trop vite et présentent donc au final des populations d’étoiles deux à trois fois plus âgées que ce que l’on observe dans la réalité. Pourtant, le progrès réalisé par rapport aux précédentes simulations est déjà énorme et la vision cosmique qu’Illustris nous offre à déjà de quoi nous faire rêver les yeux ouverts.