Deux simulations de l'Univers record battent des records avec 13,4 billions de particules de matière noire
Les cosmologistes sont confrontés à un problème qui ressemble presque à un paradoxe : plus leurs télescopes s’améliorent, plus il devient difficile d’interpréter ce qu’ils observent. La matière noire, la substance invisible qui composerait l’essentiel de la masse de l’Univers, n’émet aucune lumière propre. Sa structure ne devient visible qu’indirectement, par la façon dont elle courbe la lumière et détermine où se forment les galaxies. Pour relier ces observations à la théorie, les chercheurs construisent de vastes univers virtuels et les laissent évoluer.
C’est ce qu’une équipe du Laboratoire national d’Argonne du département de l’Énergie des États-Unis vient de réaliser à une échelle sans précédent. À l’aide d’Aurora, l’un des premiers supercalculateurs exaflopiques au monde, les scientifiques ont achevé les deux plus grandes simulations cosmologiques jamais réalisées, selon une annonce rapportée par le média chinois Science and Technology Daily. Chaque simulation a suivi l’évolution de 13,4 billions de particules de matière noire sur une région de 28,6 milliards d’années-lumière de large.
Le chiffre est difficile à se représenter. À titre de comparaison, les simulations phares antérieures suivaient des particules se comptant en milliards ou en milliers de milliards. Passer à plus de 13 billions de particules en une seule exécution signifie que le cosmos virtuel peut résoudre des structures bien plus fines, de petits amas de matière noire qui, sinon, se fondraient dans un brouillard statistique. Ces petites structures comptent parce qu’elles laissent des empreintes sur la façon dont les galaxies s’agencent et sur la manière dont la matière noire déforme la lumière des objets lointains.
Les simulations visent une cible clé : l’inflation cosmique, la théorie selon laquelle l’Univers très primordial a connu une brève et violente poussée d’expansion. Ce processus aurait étiré de minuscules fluctuations quantiques pour en faire les germes de la structure à grande échelle actuelle. En comparant des univers simulés selon différents scénarios d’inflation aux observations réelles, les astronomes peuvent déterminer quelles versions de la théorie survivent.
Il y a aussi un bénéfice pratique. Une nouvelle génération de relevés du ciel cartographie des milliards de galaxies et mesure de subtiles distorsions de leurs formes. Ces relevés produisent des jeux de données gigantesques, et en extraire des informations cosmologiques exige des prédictions théoriques tout aussi gigantesques. Les exécutions sur Aurora sont destinées à servir de bibliothèque de référence pour cette analyse, aidant les chercheurs à distinguer les signaux authentiques du bruit et des artefacts de modélisation.
Le calcul exaflopique, c’est-à-dire des machines capables de plus d’un quintillion de calculs par seconde, est un jalon longtemps recherché. Aurora, installé à Argonne près de Chicago, figure parmi les premiers systèmes à franchir ce seuil. La cosmologie est devenue l’une de ses charges de travail emblématiques, car les simulations de matière noire ne tenant compte que de la gravité sont exigeantes en calcul mais relativement simples à modéliser, ce qui en fait un test de résistance idéal pour le nouveau matériel.
Pour les lecteurs du monde entier, cette histoire rappelle que l’astronomie moderne est de plus en plus une entreprise computationnelle. Les télescopes recueillent les photons, mais les supercalculateurs les transforment en compréhension. À mesure que les observatoires du Chili, d’Hawaï et, à terme, de l’espace génèrent des catalogues de galaxies toujours plus vastes, le goulot d’étranglement se déplace de la collecte des données vers leur interprétation.
Les résultats de l’équipe d’Argonne restent des simulations, et non des découvertes, et leur valeur scientifique dépendra de leur adéquation à la réalité. Mais chaque doublement du nombre de particules rapproche un peu l’univers virtuel du réel, et les plus grandes structures du cosmos sont désormais recréées sur une machine dans l’Illinois, particule après particule.