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La plus détaillée des simulations de l’Univers jamais produites à ce jour

3 Fév 2018 | 1 commentaire

IllustrisTNG 2

Dire que notre univers est immensément grand est encore un euphémisme. Et avec les progrès récents dans notre compréhension des effets de la matière noire et des trous noirs sur la formation des galaxies, il apparaît maintenant étonnamment dynamique.

De suivre et de simuler toute cette matière en interaction nécessite une impressionnante puissance de calcul et un codage intelligent, ce dont profitent maintenant les astrophysiciens grâce à ce dernier modèle de simulation.

Appelé “Illustris : The Next Generation” (ou IllustrisTNG en abrégé), cette simulation devrait ainsi élargir les frontières de la découverte spatiale. Elle réalise déjà des prédictions assez précises, des résultats prometteurs qui mèneront sans doute à un tas de découvertes passionnantes.

Image d’entête (clic pour agrandir) : rendu de la vitesse du gaz dans une fine tranche de 100 kiloparsecs d’épaisseur (dans la direction de la visualisation), centré sur le deuxième groupe de galaxies le plus massif dans la simulation TNG. Lorsque l’image tourne vers le noire, le gaz ne bouge guère, tandis que les régions blanches ont des vitesses qui dépassent les 1000 kilomètres par seconde. L’image présente en contraste les mouvements de gaz dans les filaments cosmiques contre les mouvements rapides et chaotiques déclenchés par le profond puits gravitationnel et le trou noir supermassif qui repose en son centre. (Collaboration IllustrisTNG)

Selon l’astrophysicien Shy Genel du Center for Computational Astrophysics (CCA) de l’Institut Flatiron (New York):

Lorsque nous observons des galaxies à l’aide d’un télescope, nous ne pouvons mesurer que certaines quantités. Avec cette simulation, nous pouvons suivre toutes les propriétés de toutes ces galaxies. Pas seulement à quoi ressemble actuellement la galaxie, mais son histoire de sa formation.

IllustrisTNG est le successeur d’Illustris et repose sur les travaux des chercheurs du CCA, du MIT, de l’université de Harvard, de l’université de Cambridge, de l’Institut d’études théoriques de l’université de Heidelberg (Allemagne) et de l’Institute for Advanced Study (Etats-Unis).

TNG consiste en 18 simulations couvrant différentes échelles, chacune étant une maquette cubique d’un espace d’un milliard d’années-lumière de large, retraçant l’évolution de l’Univers juste après le Big Bang.

Evolution temporelle de la force du champ magnétique cosmique. En Bleu / violet, des régions à faible énergie magnétique le long des filaments de la toile cosmique, tandis que l’orange et le blanc indiquent des régions avec une énergie magnétique significative à l’intérieur des halos et des galaxies. La région affichée provient de la simulation TNG100 et elle a une largeur de 10 mégaparsecs. (Illustris TNG)

Avec une meilleure résolution et de nouvelles données physiques, les simulations améliorées ne couvrent pas seulement une plus grande surface, elles peuvent maintenant modéliser avec précision les modèles d’agglomération des galaxies et comment cette toile cosmique évolue au fil du temps.

Visualisation de l’intensité des ondes de choc dans le gaz cosmique (bleu) autour des structures effondrées de la matière noire (orange / blanc). Semblable à un bang sonique, le gaz dans ces ondes de choc est accéléré lors de l’impact sur les filaments cosmiques et les galaxies. (Collaboration IllustrisTNG)

IllustrisTNG 3

De suivre la trace d’un milliard d’années-lumière cube de matériel galactique, de champs magnétiques et de matière noire nécessite une imposante puissance de calcul. Ainsi, le projet utilise le supercalculateur le plus rapide d’Allemagne, le Hazel Hen, pour malaxer les chiffres. Il a fallu 2 mois pour effectuer les calculs de l’une des plus grandes simulations, en accumulant 500 téraoctets de données, mais c’est beaucoup plus rapide que d’attendre qu’un Univers se développe…

Le supercalculateur Hazel Hen. (HLRS)

hazel-hen

Selon Volker Springel de l’Institut d’études théoriques de Heidelberg :

L’analyse de cette énorme montagne de données nous occupera pendant de nombreuses années et promet de nouvelles perspectives passionnantes sur différents processus astrophysiques.

Le niveau de précision atteint jusqu’à présent est impressionnant. Déjà, 3 études ont été publiées (liens plus bas) décrivant le regroupement à grande échelle de la matière, nous aidant à comprendre comment les galaxies se forment et évoluent.

Bien sûr, tout ce qui se trouve dans les simulations représente ce qu’il devrait se passer en théorie, en résultant des données qui nécessitent une inspection plus approfondie de la part des astronomes.

Une fine tranche à travers la structure cosmique à grande échelle dans la plus grande simulation du projet IllustrisTNG. La luminosité de l’image indique la densité de masse et la couleur indique de la température moyenne du gaz de la matière ordinaire (« baryonique« ). La région affichée s’étend sur environ 1,2 milliard d’années-lumière de gauche à droite. La simulation sous-jacente est actuellement la plus grande simulation magnéto-hydrodynamique de la formation des galaxies, contenant plus de 30 milliards d’éléments volumiques et de particules. (collaboration IllustrisTNG)

IllustrisTNG 1

Un des document de recherche a démontré la nature des légers halos des étoiles qui se forment à mesure que les galaxies entrent en collision et fusionnent. Normalement trop faible pour être vue, la simulation indique la “signature” qui doit être recherchée.

Une autre étude a exploré l’impact des trous noirs sur la formation des étoiles, ajoutant des détails nécessaires aux modèles qui suggèrent que les intenses puits gravitationnels (trou noir supermassif) au centre des galaxies peuvent entraîner des vents qui détruisent les gaz et la poussière.

Selon M. Springel :

Il est particulièrement fascinant que nous puissions prédire avec précision l’influence des trous noirs supermassifs sur la distribution à grande échelle de la matière.

Ceci est crucial pour interpréter de manière fiable les prochaines mesures cosmologiques.

Les données de telles découvertes et de nouvelles sur le terrain seront sans aucun doute réinjectées dans les prochains modèles simulés afin de les rendre encore plus précis, promettant de nouvelles versions à venir. Que nous révèlera encore la troisième génération d’Illustris ?

Les 3 études déjà publiées dans The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society :

et présentées sur le site du Center for Computational Astrophysics (CCA) de l’Institut Flatiron : New Universe Simulation Reveals High-Resolution Details About Cosmological Structures.

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