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Le Soleil en boîte : simulations et supercalculateurs

Dossier - À la découverte de l'atmosphère solaire
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Les entrailles du Soleil sont inaccessibles et il est difficile d’observer sa surface avec une bonne résolution. Les chercheurs utilisent donc des expériences numériques pour expliquer les phénomènes qui se déroulent au cœur de son atmosphère. Découvrez les événements solaires et leur simulation dans ce dossier.

  
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En physique solaire, comme dans tous les autres domaines de l'astrophysique, il est nécessaire de recourir à de véritables « expériences numériques ». Cette démarche scientifique vise à utiliser des méthodes de calcul numérique pour reproduire virtuellement, via des ordinateurs, les événements qui se déroulent ici et là dans notre univers.

Vue d'éruptions solaires. © NASA Goddard Space Flight Center, Wikimedia commons, CC by 2.0

Ces simulations numériques permettent véritablement d'expérimenter. Dans un modèle virtuel, il est en effet toujours possible de modifier tel ou tel paramètre et de relancer l'expérience. En comparant les résultats de ces calculs numériques avec les observations, il devient possible d'en apprendre plus sur les phénomènes astrophysiques.

Après avoir lancé plusieurs simulations visant à comprendre comment se forment les taches solaires, celle qui fournit les meilleures correspondances avec une tache solaire observée permet de connaître les conditions (température, pression, intensité du champ magnétique, etc.) qui ont véritablement lieu au niveau de la surface solaire.

L’atmosphère solaire a été observée par le satellite Soho dans différentes longueurs d’onde (images du haut). Cela a permis de déterminer la répartition de la matière solaire à différentes températures. La reconstruction numérique de l’intensité lumineuse (en bas) a ensuite été réalisée à l’aide d’une simulation numérique. Une région active est aisément identifiée en blanc à la fois dans les observations et dans le modèle numérique. © Soho, Esa, image adaptée de Riley et al., Solar Physics, 2011

Reproduire fidèlement les lois physiques

L'expérimentation numérique est donc une méthode d'investigation scientifique très importante en astrophysique. Contrairement aux images de synthèse dont nous sommes de plus en plus familiers via les médias audiovisuels, les simulations numériques scientifiques font primer la véracité scientifique sur l'esthétique. Une expérience numérique se base sur la résolution d'équations physiques fondamentales censées représenter le plus exactement possible les lois physiques ayant lieu dans la nature.

Ainsi, dans un film à grand budget, lorsque Spiderman se déplace de gratte-ciel en gratte-ciel, son mouvement n'est pas compatible avec les lois de la gravité telle que nous l'expérimentons sur Terre. Les infographistes ont comme souci que son mouvement « ait l'air » vrai, mais ne se préoccupent pas qu'il le soit vraiment. Une simulation numérique prendrait par exemple en compte les lois de la gravitation, l'influence du frottement de l'air, la traction exercée par l'élasticité de son fil, et rechercherait les formules et les hypothèses de nature à reproduire exactement le mouvement de notre héros.

Cette différence subtile entre « être vrai » et « avoir l'air vrai » introduit néanmoins d'énormes difficultés pour réaliser les simulations numériques. Reproduire fidèlement les lois physiques via des algorithmes numériques n'est pas aisé. Cela nécessite de faire des approximations qui, dans une démarche scientifique construite, doivent être régulièrement questionnées et jaugées.

Algorithmes et calculs parallèles

L'expérimentation numérique en astrophysique, en plus des compétences traditionnelles de l'astrophysicien qui doit déterminer quelles lois physiques et conditions initiales utiliser, repose sur les plus récents développements en analyse numérique, en algorithmique et en électronique. Les simulations reposent donc fondamentalement sur les travaux en mathématique et en informatique.

Les simulations de pointe font de plus en plus intervenir des méthodes de calcul dites « parallèles » qui peuvent s'exécuter non pas sur un seul ordinateur, mais parfois sur plusieurs dizaines de milliers de calculateurs reliés entre eux. Ces supercalculateurs sont ceux hébergés au Cines ou à l'Idris par exemple.