Une simulation géante de l'univers permettra-t-elle de percer les secrets de la matière noire ? Ici, une vue d'artiste de la mission Euclid. © ESA, C. Carreau, CC by-sa 3.0

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Matière noire : une simulation géante de l'univers pour percer ses secrets

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Pour interpréter au mieux les observations du futur satellite Euclid, de l'ESA, et percer les secrets de la matière et de l'énergie noires, des simulations numériques de la formation des galaxies sont nécessaires. L'une d'elles vient de battre le record de taille en simulant l'évolution de l'univers observable depuis les âges sombres.

  • La nature de la matière noire et de l'énergie noire détermine comment les galaxies vont se former et se rassembler en grandes structures dans l'univers observable depuis le Big Bang.
  • Pour déterminer cette nature, on va combiner tout à la fois des observations de la mission Euclid et les prédictions théoriques faites avec des supercalculateurs.
  • Une simulation de l'univers vient d'être réalisée. Il s'agit de la plus grande effectuée à ce jour, avec 2.000 milliards de paquets de matière noire qui s'assemblent pour former des dizaines de milliards de galaxies.

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En 2020, le satellite Euclid, de l'ESA, devrait s'élancer vers les étoiles, plus précisément vers sa destination, le point de Lagrange L2, où l'ont précédé il y a quelques années ses cousins européens, Herschel et Planck. L'objectif principal d'Euclid est d'aider l'humanité à percer les secrets de la matière noire et de l'énergie noire. Pour cela, il mesurera les décalages spectraux d'un grand nombre de galaxies ainsi que les effets de lentille gravitationnelle faible (Weak gravitational Lensing, ou WL en anglais) qui affectent leur image, c'est-à-dire la déformation causée par le champ de gravité des distributions de matière. Euclid devrait aussi avoir accès aux fameuses oscillations acoustiques baryoniques (Baryonic Acoustic Oscillations, ou BAO en anglais).

Ce satellite devrait permettre de faire, en quelque sorte, tout à la fois de la cartographie d'une large portion de l'univers observable et un carottage temporel dans ses strates de lumière en observant la répartition des galaxies et des effets de WL associés. Surtout, il permettra de comprendre l'évolution des galaxies au cours de l'histoire du cosmos, des âges sombres (quelques centaines de millions d'années après le Big Bang) jusqu'à aujourd'hui. Les galaxies se sont rassemblées en formant des grandes structures sur des centaines de millions d'années-lumière. Ces filaments concentrent les amas de galaxies et enlacent des grands vides, qui, eux, en contiennent beaucoup moins.

Une présentation de la mission Euclid, destinée à percer les mystères de la matière et de l'énergie noires. © ExplorNova, CEA

Les caractéristiques de ces phénomènes et structures dépendent de la nature de la matière noire, de celle de l'énergie noire mais aussi des lois de la gravitation. Or, les spécialistes ne sont pas sûrs que ces lois coïncident avec celles de la relativité générale à grandes échelles.

Cette nouvelle physique potentielle, en partie attendue, se dérobe à nos détecteurs, aussi bien au LHC, quand ils sont enterrés sous Terre, qu'à bord de l'ISS. Euclid et des projets similaires, comme le LSST, pourraient bien être nos seuls espoirs à cet égard. Mais, pour dévoiler cette nouvelle physique, il ne suffit pas d'obtenir les observations d'Euclid, il faut aussi les interpréter. Cela veut dire comparer les observations avec ce que l'on peut attendre d'un univers qui évolue avec des composantes en énergie noire et matière noire d'une nature donnée, voire avec une loi de la gravitation différente de celle connue de nos jours (ce qui est le cas avec la théorie Mond par exemple).

2.000 milliards de paquets de matière noire et 25 milliards de galaxies

La tâche est formidable car il faut pour cela décrire la formation des grandes structures du cosmos pendant une dizaine de milliards d'années avec différentes hypothèses de départ. Surtout, cela requiert d'utiliser des équations non linéaires et d'effectuer un nombre gigantesque de calculs avec des particules représentant la distribution de la matière noire. Il faut donc avoir recours à des ordinateurs devant de tels obstacles, ce qui n'aurait nullement surpris Enrico Fermi s'il était encore parmi nous. Les cosmologistes se sont donc mués, pour certains d'entre eux, en numériciens et, depuis quelques décennies, des simulations numériques de plus en plus puissantes, accompagnant les prédictions de la loi de Moore, sont réalisées.

Un extrait du catalogue de grandes structures galactiques produites par la récente simulation record de l'univers. Des filaments où se concentrent matière noire et galaxies actuelles sont bien visibles sur cette image, dont la taille représente environ 2,5 milliards d'années-lumière. © Joachim Stadel

En France, il y a eu par exemple la simulation du consortium Deus. Et, tout récemment, comme le prouve un article déposé sur arXiv, des scientifiques de l'université de Zurich (UZH), en Suisse, ont battu un record en réalisant la plus grande simulation jamais réalisée de la formation des grandes structures galactiques en générant plus de 25 milliards de galaxies à partir d'environ 2.000 milliards de particules représentant des paquets de matière noire. Parmi ces galaxies, les plus petites ont une taille qui correspond à un dixième de celle de notre Voie lactée.

Pour réaliser cet exploit Joachim Stadel, Romain Teyssier et Douglas Potter ont travaillé pendant trois ans. Ils ont notamment produit un code baptisé PKDGRAV3, lequel a été élaboré pour utiliser de manière optimale la mémoire et l'architecture du supercalculateur Piz Daint, du Swiss National Supercomputing Centre (CSCS). Le code a finalement tourné pendant 80 heures et a donc livré un catalogue de structures qui sera précieux pour tenter d'atteindre les objectifs de la mission Euclid.