Il y a une vieille blague parmi les étudiants en astronomie à propos d’une question sur l’examen final d’un cours de cosmologie. Cela ressemble à ceci : “Décrivez l’univers et donnez trois exemples.” Eh bien, une équipe de chercheurs en Allemagne, aux États-Unis et au Royaume-Uni a fait un pas de géant pour donner au moins un exemple précis de l’Univers.
Pour ce faire, ils ont utilisé un ensemble de simulations appelé “MillenniumTNG”. Il retrace l’accumulation de galaxies et la structure cosmique à travers le temps. Il fournit également un nouvel aperçu du modèle cosmologique standard de l’Univers. C’est la dernière des simulations cosmologiques, rejoignant des efforts aussi ambitieux que le projet AbacusSummit d’il y a quelques années.
Ce projet de simulation prend en compte autant d’aspects de l’évolution cosmique que possible. Il utilise des simulations de matière régulière (baryonique) (ce que nous voyons dans l’Univers). Il comprend également la matière noire, les neutrinos et l’énergie noire encore mystérieuse sur les mécanismes de formation de l’Univers. C’est un défi de taille.
Simuler l’univers
Plus de 120 000 cœurs d’ordinateurs du SuperMUC-NG en Allemagne ont travaillé sur les données pour MillenniumTNG. Cela a suivi la formation d’environ cent millions de galaxies dans une zone de l’espace d’environ 2 400 millions d’années-lumière de diamètre. Ensuite, le Cosma8 de Durham s’est mis au travail en calculant un plus grand volume de l’Univers, mais rempli d’un billion de particules de matière noire simulées et de 10 milliards supplémentaires qui suivaient l’action de neutrinos massifs.
Le résultat de ce calcul numérique a été une zone simulée de l’Univers qui reflétait la formation et la distribution des galaxies. La taille était suffisamment grande pour que les cosmologistes puissent l’utiliser pour extrapoler des hypothèses sur l’univers entier et son histoire. Ils peuvent également l’utiliser pour sonder les «fissures» dans le modèle cosmologique standard de l’univers.
Le modèle cosmologique et la prédiction
Les cosmologistes ont ce modèle de base qu’ils proposent pour expliquer l’évolution de l’Univers. Cela se passe comme suit : L’Univers a différents types de matière. Il y a de la matière baryonique ordinaire, dont nous sommes tous faits ainsi que les étoiles, les planètes et les galaxies. C’est un peu moins de 5 % des « trucs » du cosmos. Le reste est de la matière noire et de l’énergie noire.
La communauté de la cosmologie appelle cet étrange ensemble de circonstances cosmiques le modèle “Lambda Cold Dark Matter” (LCDM, pour faire court). En fait, il décrit assez bien l’Univers. Cependant, il existe certaines divergences. C’est ce que les simulations devraient aider à résoudre. Le modèle est basé sur des données provenant d’une grande variété de sources, y compris le rayonnement cosmique micro-ondes vers le «web cosmique», où les galaxies sont disposées le long d’un réseau complexe de filaments de matière noire.
Ce qui manque encore, c’est une bonne compréhension de ce qu’est exactement la matière noire. Et, en ce qui concerne l’énergie noire, eh bien, c’est un défi. Et, les astrophysiciens et les cosmologies cherchent à mieux comprendre le LCDM et l’existence des deux grandes inconnues. Cela nécessite beaucoup de nouvelles observations sensibles de la part des astronomes. De l’autre côté de la médaille, il a également besoin de prédictions plus détaillées sur ce que le modèle LCDM implique réellement. C’est un énorme défi et c’est ce qui motive les grandes simulations MillenniumTNG. Si les cosmologistes peuvent simuler avec succès l’Univers, ils peuvent utiliser ces simulations pour aider à comprendre ce qui se passe « dans la vraie vie ». Cela inclut les caractéristiques des galaxies à la fois dans l’Univers moderne et aux époques très anciennes.
Comprendre et prédire les orientations des galaxies dans l’univers à l’aide de MillenniumTNG
Les simulations MillenniumTNG font suite à des projets de simulation antérieurs appelés “Millennium” et “IllustrisTNG”. Cet ensemble le plus récent donne un outil pour combler certaines lacunes dans leur compréhension de choses telles que l’évolution des galaxies et leurs formes (ou morphologie).
Les astronomes connaissent depuis longtemps ce qu’on appelle les « alignements intrinsèques de galaxies ». Il s’agit essentiellement d’une tendance des galaxies à orienter leurs formes dans des directions similaires, pour des raisons que personne ne comprend vraiment.
Il s’avère qu’une faible lentille gravitationnelle affecte la façon dont nous voyons l’alignement des galaxies. Les simulations MillenniumTNG pourraient permettre aux astronomes de mesurer de tels alignements dans le “monde réel” en utilisant ses alignements simulés. C’est un grand pas en avant, selon Ana Maria Delgado, membre de l’équipe. “Peut-être que notre détermination de l’alignement intrinsèque des orientations des galaxies peut aider à résoudre l’écart actuel entre l’amplitude de l’agrégation de matière déduite de la faible lentille et du fond cosmique des micro-ondes”, a-t-elle déclaré.
Sonder le passé
Comme dans d’autres domaines de la cosmologie, le groupe MillenniumTNG sonde le tout jeune Univers par des simulations. C’est une époque après l’époque de la réionisation où les premières étoiles brillaient déjà et où les premières galaxies évoluaient. Certaines de ces premières galaxies sont assez grandes, ce qui semble un peu hors contexte avec un univers naissant. Le télescope spatial James Webb (JWST) les a vus et la question demeure : comment sont-ils devenus si massifs en si peu de temps après le Big Bang ?
Les simulations de MillenniumTNG semblent en fait reproduire cette tendance pour certaines galaxies anciennes à grossir en peu de temps. Typiquement, c’est environ 500 millions d’années après le Big Bang. Alors, pourquoi ces galaxies sont-elles si massives ? L’astronome Rahul Kannan suggère quelques idées pour expliquer cela. “Peut-être que la formation d’étoiles est beaucoup plus efficace peu de temps après le Big Bang que plus tard, ou peut-être que des étoiles massives se sont formées dans des proportions plus élevées à l’époque, rendant ces galaxies exceptionnellement brillantes”, a-t-il expliqué.
Maintenant que JWST sonde des temps encore plus anciens dans l’histoire cosmique, il sera intéressant de voir si les simulations prédisent ce qu’il trouve. Kennan suggère qu’il pourrait bien y avoir un désaccord entre l’univers réel et les simulations. Si cela se produit, cela posera aux cosmologistes une autre question déroutante sur les premières époques de l’histoire cosmique.
L’avenir de l’exploration de l’univers simulé et réel
Les prochaines décennies d’études cosmologiques bénéficieront largement de simulations telles que Millennium TNG. Cependant, la qualité des simulations dépend des données qu’elles reçoivent et des hypothèses formulées par leurs équipes scientifiques. Le MillenniumTNG bénéficie de vastes bases de données d’informations, ainsi que des capacités des supercalculateurs à traiter leurs données. Selon le chercheur principal de l’équipe, le professeur Volker Springel de l’Institut Max Planck, les simulations qui ont produit plus de 3 pétaoctets de données sont un atout majeur pour la cosmologie.
“MillenniumTNG combine les avancées récentes dans la simulation de la formation des galaxies avec le domaine de la structure cosmique à grande échelle, permettant une modélisation théorique améliorée de la connexion des galaxies à l’épine dorsale de la matière noire de l’Univers”, a-t-il déclaré. “Cela pourrait bien s’avérer déterminant pour les progrès sur des questions clés en cosmologie, telles que la meilleure façon de limiter la masse des neutrinos avec des données de structure à grande échelle.”
Ses prédictions correspondent certainement aux objectifs du projet MillenniumTNG. Les équipes continuent de s’appuyer sur le succès du projet IllustrisTNG, qui a effectué des simulations hydrodynamiques ainsi que la simulation Millennium de matière noire uniquement créée il y a près d’une décennie. Les simulations de l’équipe ont été utilisées pour étudier un certain nombre de sujets galactiques différents. Ils comprennent l’agrégation de matière et les halos de galaxies, les amas et la distribution de galaxies, les modèles de formation de galaxies, les populations de galaxies dans l’univers primitif, ces alignements intrinsèques de galaxies et d’autres sujets connexes. Bien qu’ils ne soient peut-être pas encore en mesure de définir complètement l’Univers (et donnez trois exemples), l’équipe de MillenniumTNG fait d’énormes progrès dans la compréhension de son origine et de son évolution.
Pour plus d’informations
À la recherche de fissures dans le modèle cosmologique standard
Page Web du projet MillenniumTNG
