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Rencontrez DEUS, la première simulation complète de l'univers observable

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Un consortium baptisé DEUS effectue depuis plusieurs années des simulations de la formation des grandes structures de l'univers selon son contenu en matière et énergie noire. Le groupe de chercheurs français du Laboratoire Univers et Théories (LUTH), au cœur de ce projet, vient de réaliser la première simulation de tout le volume de l'univers observable, du Big Bang jusqu'à aujourd'hui, avec une constante cosmologique. Ce n'est qu'un début.

Sur cette image extraite de la simulation complète de l'univers observable, la luminosité exprime la densité de matière noire et la couleur sa vitesse. L'énergie noire n'est pas visible. Deux régions sont agrandies, montrant les milliards de galaxies sous forme de points. © DEUS consortium

Un des verrous à faire sauter pour comprendre l'évolution de l'univers, du Big Bang au Vivant, et tenter de prédire son destin, est incontestablement de faire la lumière sur la nature de l'énergie noire. Il n'y a guère de doute que l'expansion accélérée de l'univers observable découvert par Saul Perlmutter et ses collègues soit bien réelle. Mais l'on ignore si son explication repose sur la présence d'une vraie constante cosmologique, comme le pense Jean-Pierre Luminet, ou si elle est la manifestation d'une nouvelle physique nécessitant l'introduction de nouveaux champs (en général scalaires et dépendant du temps, voire de l'espace).

Une façon de le savoir est de déterminer l'influence exacte de l'énergie noire sur la formation des grandes structures dans l'univers, celles contenant des amas de galaxies. Comment se forment ces amas ? Comment se rassemblent-ils au cours du temps ?

La matière noire a aussi son mot à dire et on peut espérer en apprendre plus en étudiant les données de Planck sur le rayonnement fossile et les fameuses oscillations acoustiques de baryons (BAO) ayant laissé leur traces dans la distribution des galaxies. Ces BAO sont étudiées avec le Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (Boss) et le seront par le LSST et Euclid.


Un fabuleux voyage à travers l'univers observable, de la Terre jusqu'à la sphère de dernière diffusion dont nous parviennent aujourd'hui les plus vieux photons de l'univers. Toutes les distances sont à l'échelle et les objets sont représentés avec le plus d'exactitude possible. Voir l'article sur le Tibet pour plus de détails. © Digital Universe, American Museum of Natural History/Youtube. Musique : Suke Cerulo

Mais pour étudier la formation et l'évolution des grandes structures (déjà partiellement cartographiées comme le montre bien ce voyage des sommets du Tibet jusqu'aux frontières de l'univers observable), de l'amas local de galaxies jusqu'à celles situées à plus de 45 milliards d'années-lumière et dont nous parviennent les plus vieux photons du cosmos, des observations ne suffisent pas. Il faut des prédictions théoriques numériques précises. 

L'énergie noire sur supercalculateurs

Malheureusement, il arrive un moment où le régime de formation et d'évolution de ces grandes structures depuis les âges sombres jusqu'à aujourd'hui ne peut plus être décrit que par des équations non-linéaires. L'utilisation de supercalculateurs devient un passage obligé et c'est pourquoi plusieurs groupes de par le monde ont développé des simulations de ces structures. On peut citer la fameuse Simulation du Millénaire ou celle de Joel Primack et ses collègues, la Bolshoi simulation.

Elles sont toutes dépassés en envergure par la dernière simulation effectuée par le consortium DEUS (Dark Energy Universe Simulation) dont le cœur est une équipe de chercheurs du Laboratoire Univers et Théories (LUTH, Observatoire de Paris/ CNRS/Université Paris Diderot) dirigée par Jean-Michel Alimi.

Volume de l'univers accessible avec la dernière simulation de DEUS, c'est-à-dire tout l'Univers observable de 90 milliards d'années-lumière de diamètre. En haut à gauche, la sphère céleste totale, dont on a extrait une coupe (slice), représentée par le grand disque. À sa périphérie se trouve le fond cosmologique (Cosmic microwave background) observé depuis la Terre, c'est-à-dire les régions dont sont partis les plus vieux photons du cosmos il y a 13,7 milliards d'années. Au centre, les deux cônes représentent le domaine d'univers observé aujourd'hui, et que l'on peut voir dans la vidéo précédente. En haut à droite, un zoom montre la région entourant notre Galaxie, avec l'échelle de la Voie lactée (milky way). © DEUS consortium

Les chercheurs avaient déjà réalisé des simulations de portions de l'univers observable avec différentes hypothèses sur l'énergie noire afin d'obtenir des prédictions comparables aux observations. Ils avaient ainsi simulé des univers, bien sûr emplis de matière noire froide mais avec une simple constante cosmologique () puis avec une théorie d'un champ scalaire et son potentiel proposée en 1988 par Ratra et Peebles (RPCDM). Une variante faisant intervenir la supergravité, proposée par Philippe Brax et Jérôme Martin, avait aussi été considérée.

Les cosmologistes vont donc maintenant plus loin.


Cette vidéo de présentation du projet DEUS montre deux simulations précédentes d'une portion de l'univers observable effectuées selon deux hypothèses différentes sur l'énergie noire. L'un est celle d'une vraie constante cosmologique () et l'autre est celle faisant intervenir un champ scalaire dynamique et son potentiel dans la théorie de Ratra-Peebles (RPCDM). Dans les deux cas, on se place dans le modèle de la matière noire froide de Joel Primack (CDM). © DEUS Consortium

De la Voie lactée à la surface de dernière diffusion

Grâce au nouveau supercalculateur Curie de GENCI exploité au Très Grand Centre de Calcul (TGGC) du CEA, les chercheurs viennent de réaliser pour la première fois le calcul de la structuration des galaxies dans tout le volume de l'univers observable, espace-temps compris c'est-à-dire du Big Bang jusqu'à aujourd'hui. Bien qu'il ne s'agisse pour le moment que d'un modèle cosmologique de type , ils entendent bien réaliser cette année de nouvelles simulations avec d'autres hypothèses sur l'énergie noire (RPCDM et avec énergie fantôme, celle donnant lieu au Big Rip).

Pour suivre le comportement des 550 milliards de particules modélisant les galaxies de l'Univers observable, il a donc fallu le supercalculateur Curie doté de plus de 92.000 unités de calcul et capable de réaliser 2 millions de milliards d'opérations à la seconde (soit 2 pétaflops). L'ensemble des simulations prévues, avec différents modèles cosmologiques pour l'énergie noire, devrait nécessiter de plus 30 millions d'heures de calcul, bien sûr effectuées en parallèle, faute de quoi il y faudrait près de 3.500 ans.

Les résultats obtenus permettront peut-être de mieux comprendre la nature de l'énergie noire et, à coup sûr, de mieux préparer des projets d'observation avec des instruments comme Euclid et le LSST.