Depuis le milieu du 20e siècle, les scientifiques ont une assez bonne idée de la naissance de l'Univers. L'expansion cosmique et la découverte de l'arrière-plan des micro-ondes cosmiques (CMB) ont donné de la crédibilité à la théorie du Big Bang, et l'accélération du taux d'expansion a conduit à des théories sur l'énergie sombre. Pourtant, il y a beaucoup de choses sur le début de l'Univers que les scientifiques ne connaissent pas encore, ce qui nécessite qu'ils s'appuient sur des simulations sur l'évolution cosmique.
Cela a traditionnellement posé un peu de problème car les limites de l'informatique signifiaient que la simulation pouvait être à grande échelle ou détaillée, mais pas les deux. Cependant, une équipe de scientifiques allemands et américains a récemment terminé la simulation à grande échelle la plus détaillée à ce jour. Connue sous le nom de TNG50, cette simulation de pointe permettra aux chercheurs d'étudier comment le cosmos a évolué en détail et à grande échelle.
TNG50 est la dernière simulation produite par IllustrisTNG, un projet en cours dédié à la création de grandes simulations cosmologiques de la formation des galaxies. Il est révolutionnaire en ce qu'il évite aux astronomes traditionnels de faire des compromis. En bref, des simulations détaillées ont souffert de faibles volumes dans le passé, ce qui a rendu difficiles les déductions statistiques sur l'évolution cosmique à grande échelle.
Les simulations à grand volume, en revanche, manquent traditionnellement de détails pour reproduire bon nombre des propriétés à petite échelle de celles de l'Univers, ce qui rend leurs prévisions moins fiables. Le TNG50 est la première simulation de ce type en ce qu'il parvient à combiner l'idée de simulations à grande échelle - le concept «Univers dans une boîte» - avec le type de résolution qui n'était auparavant possible qu'avec les simulations de galaxies.
Cela a été rendu possible par le supercalculateur Hazel Hen à Stuttgart, où 16 000 cœurs ont travaillé ensemble pendant plus d'un an - la simulation la plus longue et la plus gourmande en ressources à ce jour. La simulation elle-même consiste en un cube d'espace mesurant plus de 230 millions d'années-lumière de diamètre qui contient plus de 20 milliards de particules représentant la matière noire, les étoiles, le gaz cosmique, les champs magnétiques et les trous noirs supermassifs (SMBH).
Le TNG50 peut également discerner les phénomènes physiques qui se produisent à des échelles allant jusqu'à un millionième du volume global (soit 230 années-lumière). Cela permet à la simulation de suivre l'évolution simultanée de milliers de galaxies au cours de 13,8 milliards d'années d'histoire cosmique. Les résultats de leur simulation ont été publiés dans deux articles récemment publiés dans la revue Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
Les deux études ont été dirigées par la Dre Annalisa Pillepich du Max Planck Institute for Astronomy et le Dr Dylan Nelson du Max Planck Institute for Astrophysics. Comme Dylan l'a expliqué dans un communiqué de presse de RAS:
«Les expériences numériques de ce type sont particulièrement réussies lorsque vous en sortez plus que vous n'en mettez. Dans notre simulation, nous voyons des phénomènes qui n'avaient pas été programmés explicitement dans le code de simulation. Ces phénomènes émergent de façon naturelle, de l'interaction complexe des ingrédients physiques de base de notre univers modèle. »
De plus, le TNG50 est la première simulation de ce type à deux phénomènes émergents qui jouent un rôle clé dans l'évolution des galaxies. Tout d'abord, l'équipe de recherche a remarqué qu'en regardant en arrière dans le temps, des galaxies à disques en rotation rapide (comme la Voie lactée) ont émergé de nuages de gaz initialement chaotiques.
Au fur et à mesure que ce gaz se déposait, les étoiles nouveau-nées adoptaient des orbites de plus en plus circulaires, pour finalement céder la place à de grandes galaxies spirales. Comme l'a expliqué la Dre Annalisa Pillepich:
"En pratique, le TNG50 montre que notre propre galaxie de la Voie lactée avec son disque mince est à la hauteur de la mode galactique: au cours des 10 milliards d'années écoulées, au moins les galaxies qui forment encore de nouvelles étoiles sont devenues de plus en plus semblables à des disques, et leurs mouvements internes chaotiques ont considérablement diminué. L'Univers était beaucoup plus désordonné alors qu'il n'avait que quelques milliards d'années! »
Le deuxième phénomène émergent est apparu alors que les galaxies s'aplatissaient dans la simulation, où des vents de gaz à grande vitesse s'écoulaient des galaxies. Cela était dû aux explosions de supernovae et à l'activité des SMBH au cœur des galaxies simulées. Encore une fois, le processus était initialement chaotique, le gaz s'écoulant dans toutes les directions, mais devenant finalement plus concentré le long d'un chemin de moindre résistance.
À l'époque cosmologique actuelle, ces écoulements prennent la forme d'un cône et s'écoulent des extrémités opposées de la galaxie, le matériau ralentissant en quittant le puits de gravité invisible du halo de matière noire de la galaxie. Finalement, ce matériau cesse de s'écouler vers l'extérieur et commence à retomber, devenant ainsi une fontaine galactique de gaz recyclé.
En d'autres termes, cette simulation est également la première du genre à montrer comment la géométrie des gaz cosmiques circulant autour des galaxies détermine leurs structures (et vice versa). Pour leur travail, le Dr Pillepich et le Dr Nelson ont reçu le Golden Spike Award 2019, qui est décerné aux membres de la communauté de recherche internationale par le Centre informatique de haute performance de Stuttgart, en Allemagne.
Le Dr Nelson et leurs collègues ont également planté pour éventuellement diffuser toutes les données de simulation du TNG50 à la communauté astronomique et au public. Cela permettra aux astronomes et aux citoyens scientifiques de faire leurs propres découvertes à partir de la simulation, ce qui pourrait inclure des exemples supplémentaires de phénomènes cosmiques émergents ou de résolutions de mystères cosmiques durables.
