Vue d'artistes d'astéroïdes de la Ceinture de Kuiper. © ESO, Kornmesser

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Les dessous de la découverte des 19 nouveaux astéroïdes interstellaires

ActualitéClassé sous :astéroïdes , big data , Objet interstellaire

La découverte de la première population d'astéroïdes interstellaires ne s'est pas faite sur la base d'observations mais avec d'étonnantes simulations numériques nécessitant des millions de clones d'orbites et des dizaines de journées de calcul. Fathi Namouni, astronome et chercheur du CNRS au Laboratoire Lagrange de l'Observatoire de la Côte d'Azur nous explique comment, avec sa collègue Helena Morais, ils ont mis au point ces simulations très précises des orbites de ces astéroïdes permettant de « remonter le temps » et de retrouver leurs positions passées, au-delà de notre Système solaire.

L'étonnante découverte de 19 astéroïdes interstellaires a été rendue possible grâce à des simulations qu'ont pu réaliser Fathi Namouni, chercheur du CNRS au laboratoire Lagrange à l'observatoire de la Côte d'Azur (France) et sa consœur, le Dr Maria Helena Morais, de l'Universidade Estadual Paulista (Brésil).

Ces simulations ont été réalisées au Mésocentre de calcul intensif Sigamm (Simulations intensives en géophysique, astronomie, mécanique et mathématiques) de l'Observatoire de la Côte d'Azur. Elles ont consisté à reproduire le Système solaire et simuler l'orbite de ces objets jusqu'à l'époque où la formation des planètes s'est terminée, il y a plus ou moins 4,5 milliards d'années.

En complément des observatoires spatiaux et terrestres, les simulations numériques sont donc une autre façon de faire de l'astronomie. Cette technique moderne, qui s'appuie sur le big data et le calcul intensif, est devenue, comme dans d'autres domaines, un métier à part entière de la recherche en astronomie.

Si les simulations numériques sont essentiellement utilisées pour tester des théories, Fathi Namouni et Maria Helena Morais nous montrent qu'elles peuvent être utilisées pour reproduire des scènes passées, vieilles de plusieurs milliards d'années. Scènes qu'aucun observatoire spatial ou terrestre pourrait imager, quelles que soient les longueurs d'ondes.

La machine SIGAMM, du Mésocentre de calcul intensif de l'Observatoire de la Côte d’Azur sur laquelle les simulations ont été réalisées. © Observatoire de la Côte d’Azur

Laissons la parole à Fathi Namouni

Futura : Comment simule-t-on l'histoire de 19 astéroïdes ?

Fathi Namouni : Pour chaque astéroïde, nous répliquons son orbite en 1 million de clones pour couvrir avec une grande précision l'erreur observationnelle de son orbite. Ensuite, nous simulons le mouvement de chacun des clones en remontant le temps à 4,5 milliards d'années dans le passé, l'époque où le disque qui avait donné naissance à tous les astéroïdes nés autour du soleil était compact. Compact veut dire qu'il était quasiment plat et ne s'étendait pas au-delà de l'orbite actuelle de Neptune (situé à 40 fois la distance Terre-Soleil).

Quelles données obtenez-vous ?

Fathi Namouni : Nous obtenons de l'essaim de clones, pour un astéroïde donné, une distribution statistique (ou de probabilité) qui représente les attributs de l'orbite originelle. La dispersion statistique des clones est due au phénomène du chaos. Nous utilisons la distribution statistique pour connaître les propriétés orbitales originelles de l'astéroïde en question 4,5 milliards d'années dans le passé.

Quelle puissance de calcul a été nécessaire ?

Fathi Namouni : Nous avons utilisé la machine Sigamm hébergée à l'Observatoire de la Côte d'Azur. Sa capacité de calcul est de 52 Tera-Flops (52 x 10^12 Opérations FLottantes par Seconde).

Combien de temps ont duré ces simulations ?

Fathi Namouni : Pour chaque astéroïde, le calcul aurait pris deux semaines si j'avais eu la machine pour moi tout seul. Dans la pratique, comme la machine est partagée avec d'autres utilisateurs, un mois par astéroïde a été nécessaire, soit 20 mois pour toute l'étude.

Comment s'assurer que les résultats ne sont pas faussés, voire qu'ils ne comportent pas d'erreurs de calcul ?

Fathi Namouni : Les résultats sont robustes, car notre simulation n'est pas un modèle de formation à paramètres dont l'issue dépend de la valeur de ces paramètres comme par exemple les modèles où l'on part d'un disque de planétésimaux, et on essaie de voir comment obtenir la configuration actuelle du système solaire. Nous simulons précisément le mouvement de chaque clone. Le seul paramètre qui entre dans cette étude est la taille de l'échantillon de clones pour chaque object (1 million). Si je pouvais mettre 1 milliard de clones, les courbes des distributions de probabilité seront bien plus lisses mais ne changeront pas. Au contraire, si j'avais mis 100.000 clones par objet, les courbes auraient été plus « pixélisées ». Les courbes ne changent pas car il n'y a aucun paramètre dans la simulation du mouvement d'un clone.

Cette simulation numérique a-t-elle permis d'autres découvertes ?

Fathi Namouni : Oui. Elle a mis en évidence des faits auxquels nous ne nous attendions pas. Par exemple, une des surprises a été que 8 des 17 Centaures ont des temps médians de vie très similaires (regroupés autour de 2,4 millions d'années avec une dispersion de 0,2 million d'années). Ce genre de regroupement n'a jamais été mis en évidence et pourrait indiquer que ces corps ont été capturés dans un même et unique évènement. On ne peut pas actuellement prouver que cet évènement a eu lieu car la résolution d'1 million de clones par objet n'est pas suffisante pour ce type de diagnostic.

La nébuleuse du homard qui contient une pouponnière stellaire similaire à celle où s’est formé le Système solaire il y a 4,5 milliards d’années dans le passé et où les étoiles peuvent capturer les astéroïdes les unes des autres. © Observatoire de la Côte d’Azur

Le système planétaire d'origine de ces astéroïdes a-t-il été localisé ?

Fathi Namouni : Non. Nous arrêtons la simulation à 4,5 milliards d'années dans le passé. Pour avoir une idée de l'origine de ces objets, il faudrait simuler leur processus de capture dans l'amas stellaire où est né le Soleil.

Quelle est l'étape suivante ?

Fathi Namouni : Dans l'immédiat, c'est monter en puissance de calcul (Peta-Flops) et augmenter le nombre de clones à 100 millions afin de lisser les probabilités de distribution et découvrir les évènements où les captures simultanées ont lieu. Comme cela, on pourra associer les centaures à des groupes de capture commune. Cela nous aidera à comprendre leur origine.

Un de ces 19 objets vous paraît-il intéressant pour envisager d'envoyer une sonde autour, voire un atterrisseur ?

Fathi Namouni : On ne connait pas vraiment les masses précises ; du coup, on ne peut pas faire de choix. Quand ces objets seront mieux observés, nous pourrons définir la cible optimale non seulement par rapport à la taille mais aussi par rapport à sa vitesse relative par rapport à la Terre afin de pouvoir non seulement s'en approcher mais peut-être s'y poser.

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