Comprendre l'Univers et son évolution au cours de milliards d'années est une tâche assez ardue. D'une part, cela implique de rechercher minutieusement des milliards d'années-lumière dans l'espace profond (et donc, des milliards d'années dans le temps) pour voir comment sa structure à grande échelle a changé au fil du temps. Ensuite, des quantités massives de puissance de calcul sont nécessaires pour simuler à quoi il devrait ressembler (basé sur la physique connue) et voir si elles correspondent.
C'est ce qu'a fait une équipe d'astrophysiciens de l'Université de Zurich (UZH) en utilisant le supercalculateur «Piz Daint». Avec cette machine sophistiquée, ils ont simulé la formation de tout notre univers et produit un catalogue d'environ 25 milliards de galaxies virtuelles. Ce catalogue sera lancé à bord de la mission Euclid de l’ESA en 2020, qui passera six ans à sonder l’Univers pour enquêter sur la matière noire.
Le travail de l’équipe a été détaillé dans une étude publiée récemment dans la revue Astrophysique computationnelle et cosmologie. Dirigée par Douglas Potter, l'équipe a passé les trois dernières années à développer un code optimisé pour décrire (avec une précision sans précédent) la dynamique de la matière noire ainsi que la formation de structures à grande échelle dans l'Univers.
Le code, connu sous le nom de PKDGRAV3, a été spécialement conçu pour utiliser de manière optimale la mémoire disponible et la puissance de traitement des architectures de super-informatique modernes. Après avoir été exécuté sur le supercalculateur «Piz Daint» - situé au Centre national suisse de calcul (CSCS) - pour une durée de seulement 80 heures, il a réussi à générer un univers virtuel de deux trillions de macro-particules, dont un catalogue de 25 milliards de galaxies virtuelles ont été extraites.
La façon dont le fluide de la matière noire aurait évolué sous sa propre gravité était intrinsèque à leurs calculs, conduisant ainsi à la formation de petites concentrations appelées «halos de matière noire». C'est à l'intérieur de ces halos - une composante théorique qui s'étendrait bien au-delà de l'étendue visible d'une galaxie - que des galaxies comme la Voie lactée se seraient formées.
Naturellement, cela représentait tout un défi. Cela exigeait non seulement un calcul précis de la façon dont la structure de la matière noire évoluait, mais exigeait également qu'ils considèrent comment cela influencerait toutes les autres parties de l'Univers. Comme Joachim Stadel, professeur au Centre d'astrophysique théorique et de cosmologie à l'UZH et co-auteur du document, a déclaré à Space Magazine par e-mail:
«Nous avons simulé 2 000 milliards de« pièces »de matière noire, le plus grand calcul de ce type jamais réalisé. Pour ce faire, nous avons dû utiliser une technique de calcul connue sous le nom de «méthode multipolaire rapide» et utiliser l'un des ordinateurs les plus rapides au monde, «Piz Daint» au Centre national suisse de calcul intensif, qui dispose, entre autres, d'unités de traitement graphique très rapides. (GPU) qui permettent une accélération énorme des calculs en virgule flottante nécessaires à la simulation. La matière noire se regroupe en «halos» de matière noire qui à leur tour abritent les galaxies. Notre calcul produit avec précision la distribution et les propriétés de la matière noire, y compris les halos, mais les galaxies, avec toutes leurs propriétés, doivent être placées dans ces halos à l'aide d'un modèle. Cette partie de la tâche a été réalisée par nos collègues de Barcelone sous la direction de Pablo Fossalba et Francisco Castander. Ces galaxies ont alors les couleurs, la distribution spatiale et les raies d'émission attendues (importantes pour les spectres observés par Euclid) et peuvent être utilisées pour tester et calibrer diverses erreurs systématiques et aléatoires dans l'ensemble du pipeline d'instruments d'Euclid. »
Grâce à la grande précision de leurs calculs, l’équipe a pu produire un catalogue répondant aux exigences de la mission Euclide de l’Agence spatiale européenne, dont l’objectif principal est d’explorer «l’univers sombre». Ce type de recherche est essentiel pour comprendre l'Univers à la plus grande échelle, principalement parce que la grande majorité de l'Univers est sombre.
Entre les 23% de l'Univers qui sont constitués de matière noire et les 72% qui se composent d'énergie sombre, seul un vingtième de l'Univers est en fait constitué de matière que nous pouvons voir avec des instruments normaux (aka. "Lumineux" ou matière baryonique). Bien qu'elle ait été proposée dans les années 1960 et 1990 respectivement, la matière noire et l'énergie noire restent deux des plus grands mystères cosmologiques.
Étant donné que leur existence est nécessaire pour que nos modèles cosmologiques actuels fonctionnent, leur existence n'a été inférée que par l'observation indirecte. C'est précisément ce que la mission Euclide fera au cours de sa mission de six ans, qui consistera à capter la lumière de milliards de galaxies et à la mesurer pour les distorsions subtiles causées par la présence de masse au premier plan.
De la même manière que la mesure de la lumière de fond peut être déformée par la présence d'un champ gravitationnel entre lui et l'observateur (c'est-à-dire un test séculaire de relativité générale), la présence de matière noire exercera une influence gravitationnelle sur la lumière. Comme Stadel l'a expliqué, leur univers simulé jouera un rôle important dans cette mission Euclid - fournissant un cadre qui sera utilisé pendant et après la mission.
"Afin de prévoir dans quelle mesure les composants actuels seront capables de faire une mesure donnée, un univers peuplé de galaxies aussi près que possible de l'univers réel observé doit être créé", a-t-il déclaré. «Ce catalogue« simulé »de galaxies est ce qui a été généré à partir de la simulation et sera désormais utilisé de cette manière. Cependant, à l'avenir, quand Euclid commencera à prendre des données, nous devrons également utiliser des simulations comme celle-ci pour résoudre le problème inverse. Il nous faudra alors pouvoir prendre l'Univers observé et déterminer les paramètres fondamentaux de la cosmologie; une connexion qui ne peut actuellement être établie avec une précision suffisante que par de grandes simulations comme celle que nous venons de réaliser. Il s'agit d'un deuxième aspect important de la façon dont une telle simulation fonctionne [et] est au cœur de la mission Euclid. »
À partir des données d'Euclid, les chercheurs espèrent obtenir de nouvelles informations sur la nature de la matière noire, mais aussi découvrir de nouvelles physiques qui vont au-delà du modèle standard de la physique des particules - c'est-à-dire une version modifiée de la relativité générale ou un nouveau type de particules. Comme Stadel l'a expliqué, le meilleur résultat pour la mission serait celui dans lequel les résultats ne pas conforme aux attentes.
«Bien que cela rendra certainement les mesures les plus précises des paramètres cosmologiques fondamentaux (tels que la quantité de matière noire et d'énergie dans l'Univers) beaucoup plus excitante serait de mesurer quelque chose qui entre en conflit ou, à tout le moins, est en tension avec le modèle actuel de «matière noire froide lambda» (LCDM) », a-t-il déclaré. «L'une des plus grandes questions est de savoir si la soi-disant« énergie noire »de ce modèle est en fait une forme d'énergie, ou si elle est plus correctement décrite par une modification de la théorie générale de la relativité d'Einstein. Bien que nous puissions commencer à gratter la surface de ces questions, elles sont très importantes et ont le potentiel de changer la physique à un niveau très fondamental. »
À l'avenir, Stadel et ses collègues espèrent effectuer des simulations sur l'évolution cosmique qui prennent en compte à la fois la matière noire et énergie noire. Un jour, ces aspects exotiques de la nature pourraient former les piliers d'une nouvelle cosmologie, qui dépasse la physique du modèle standard. En attendant, les astrophysiciens du monde entier attendront probablement le premier lot de résultats de la mission Euclid avec haleine appâtée.
Euclide est l'une des nombreuses missions qui sont actuellement engagées dans la chasse à la matière noire et à l'étude de la façon dont elle a façonné notre univers. D’autres incluent l’expérience du spectromètre magnétique alpha (AMS-02) à bord de l’ISS, le Kilo Degree Survey (KiDS) de l’ESO et le Large Hardon Collider du CERN. Avec de la chance, ces expériences révéleront des pièces du puzzle cosmologique qui sont restées insaisissables pendant des décennies.
