Astronomie : il est possible de voyager dans le temps

Une équipe internationale de chercheurs n'a pas seulement créé un univers virtuel entier. Il l'a également mis gratuitement à la disposition de toute personne ayant accès à l'internet.

Uchuu, terme qui signifie univers en japonais, est la simulation la plus réaliste du cosmos réalisée à ce jour.

Le projet a été développé par l'Observatoire astronomique national du Japon (NAOJ) en collaboration avec l'Institut d'astrophysique d'Andalousie (IAA-CSIC), le Supercomputing Center of Galicia (CESGA) et RedIRIS, le réseau universitaire et de recherche espagnol.

D'autres groupes de recherche du Japon, des États-Unis, d'Argentine, d'Australie, du Chili, de France et d'Italie participent également à cette initiative.

La simulation permettra d'étudier l'évolution de l'univers avec un niveau de détail et un volume d'informations sans précédent, pratiquement depuis le Big Bang jusqu'à aujourd'hui.

"Uchuu vise essentiellement à recréer comment était la formation de l'univers, toute la structure, tout ce que nous voyons à partir du moment où l'univers n'en était qu'à ses débuts et avait 400 mille ans", a déclaré à BBC Mundo le cosmologiste Francisco Prada, professeur au Conseil national de la recherche espagnol (CSIC) à l'Institut d'astrophysique d'Andalousie (IAA).

"Nous avons pu, avec un supercalculateur dédié intensivement au projet, recréer numériquement toute la physique impliquée, essentiellement toutes les équations de la gravité d'Einstein et les composantes énergétiques et matérielles de l'univers, ainsi que tous les processus impliqués."

La simulation, qui est disponible dans le cloud CESGA, permettra aux scientifiques de se concentrer sur différents moments de l'histoire de l'univers et facilitera la compréhension de phénomènes tels que l'évolution des galaxies et la formation des trous noirs.

La simulation a été rendue possible par le supercalculateur ATERUI II, le plus puissant ordinateur exclusivement dédié à l'astrophysique, qui appartient à l'Observatoire astronomique national du Japon.

"D'autres grands ordinateurs comme le Mare Nostrum de Barcelone peuvent avoir beaucoup plus de processeurs. Mais l'avantage d'ATERUI est qu'il est dédié à très peu de projets en astrophysique", a déclaré M. Prada.

"Et cela vous permet d'avoir une utilisation exclusive pendant une longue période pour pouvoir aborder une simulation comme celle-ci, ce qui aurait été impossible autrement", a-t-il expliqué.

"Nous avons eu la chance d'utiliser ATERUI pendant une année complète, 48 heures par mois, de manière exclusive. C'est un énorme privilège."

Tomoaki Ishiyama, de l'université de Chiba au Japon, était chargé de développer et d'exécuter le code qui a créé la simulation.

Le résultat est "trois pétaoctets de données, l'équivalent de près d'un million de photos d'un téléphone portable de 12 mégapixels", a déclaré Ishiyama, dans des propos recueillis par l'agence EFE.

La simulation consiste en 2,1 trillions de particules dans un cube virtuel distant de 9,63 milliards d'années-lumière, une dimension comparable à la moitié de la distance entre la Terre et les galaxies les plus lointaines observées, a précisé le CSIC.

Toutes les données d'analyse sont hébergées au CESGA, un centre conjoint du CSIC et de la Junta de Galicia, et peuvent également être téléchargées en ligne via le serveur de l'IAA.

Uchuu permettra aux scientifiques d'étudier en détail différents moments et scénarios de l'histoire de l'univers, sur plus de 13 milliards d'années.

"Pour la première fois, nous pouvons étudier dans la même simulation à la fois de très petits objets et d'énormes objets, à la fois des galaxies moins massives que notre Voie lactée et des amas de très grandes galaxies ou d'énormes vides, en conservant la même résolution. Cela n'avait pas été réalisé dans la même simulation auparavant".

"C'est comme si, dans une autre simulation, vous ne pouviez étudier que des voitures. Or, nous pourrions étudier avec notre simulation depuis un skateboard jusqu'à des avions ou un supertanker, et nous pourrions aussi voir comment tous ces objets sont distribués aussi bien dans une prairie que dans l'Himalaya ou dans l'océan, dans des environnements très différents de densité de matière. "

"Les galaxies dans l'univers sont distribuées dans ce que nous appelons la structure à grande échelle : il y a de grands vides, où il y a très peu de galaxies, il y a des filaments, il y a des amas comme la Voie lactée et Andromède et puis il y a de grands objets qui sont mille fois plus massifs que notre Voie lactée."

La simulation nous permet de voir, par exemple, comment les petites galaxies fusionnent au cours de l'histoire et en forment de plus grandes, dans ce qu'on appelle la formation hiérarchique de la structure de l'univers, explique Prada.

"C'est ainsi que la Voie lactée s'est formée. Elle a 'mangé' un tas de petits objets et cela fait partie de l'histoire de la formation des galaxies."

La simulation permettrait également d'étudier la collision de deux galaxies qui possèdent des trous noirs très massifs pouvant produire des ondes gravitationnelles.

"Les galaxies massives comme la Voie lactée possèdent un trou noir. Il est essentiel de comprendre la croissance de ces structures car elle est aussi liée au taux d'accrétion de matière qu'ont les trous noirs, à la façon dont ils se forment."

Quelque chose de fondamental à propos d'Uchuu est qu'il incorpore non seulement la matière visible, mais aussi la mystérieuse matière noire et l'énergie noire.

La matière ordinaire, constituée d'atomes, représente moins de 5% de l'énergie totale de l'univers.

La matière noire, une forme de matière qui n'interagit pas avec la lumière et qui n'est détectable que par ses effets gravitationnels, représente environ 25 %. Le reste, soit 70 %, est ce que les scientifiques appellent l'énergie sombre

Dans la visualisation d'Uchuu disponible sur YouTube, par exemple, on voit la matière noire et sa répartition dans un objet supermassif tel qu'un grand amas de galaxies.

"Notre simulation comporte tous les ingrédients, tous les paramètres que nous connaissons aujourd'hui dans les bonnes proportions", a déclaré M. Prada.

Les images d'Uchuu reviennent à "mettre des lunettes spéciales" qui visualisent la matière noire.

"Il y a un moment dans l'histoire de l'univers où la gravité a dû entrer en compétition avec l'énergie noire, car si vous n'aviez que la gravité, toute la matière commencerait à s'effondrer."

"Cependant, il arrive un moment dans l'histoire de l'univers où cette énergie noire commence à dominer que nous ne savons pas ce qu'elle est, mais nous savons en termes pratiques que c'est comme une force répulsive, comme une pression contre la gravité", a expliqué Prada à BBC World.

"L'un des grands défis d'Uchuu est qu'en simulant toute la structure de l'univers et en étant capable de comparer toutes les statistiques que nous observons, par exemple, le nombre de grands amas de galaxies que nous avons, le nombre de grands vides, la façon dont les galaxies sont regroupées, nous pourrons mieux interpréter la nature de l'énergie noire et de la matière noire. Jusqu'à ce jour nous ne savons pas ce que c'est."

"Il est entendu que la matière noire est une particule élémentaire mais on ne sait pas ce que c'est. Et l'énergie noire n'a pas d'idée, il est entendu que l'univers s'étend rapidement dans les temps ultérieurs mais nous ne savons pas ce qui cause cette expansion accélérée."

Selon Francisco Prada, "cette image montre quatre moments de l'histoire de l'univers, le présent est en bas et le passé est en haut. Et les trois colonnes correspondent à différentes régions de l'univers.

Par exemple, celle de droite est très intéressante car elle montre le processus de formation d'un grand vide.

Si nous allons dans le présent, vous voyez que la densité de galaxies y est très faible, il y a de grandes régions qui ont un déficit, un vide de galaxies, alors nous pouvons remonter dans le temps et voir comment il s'est formé.

Dans la première colonne, vous pouvez voir un objet similaire à la Voie lactée ; c'est comme si nous mettions des lunettes dans le ciel et que nous voyions la matière noire.

Si à la place je mettais une image de ce que l'on ne voit qu'à travers le télescope, ce serait une jolie galaxie comme les images de Hubble, mais on voit toute la matière noire, parce que dans notre propre galaxie il doit y avoir des milliers de petits objets qui sont de la matière noire.

Et au milieu, on voit un amas de galaxies qui est un objet mille fois plus massif."

La scientifique Sofía Alejandra Cora, de l'Institut d'astrophysique de La Plata en Argentine, participe également au projet Uchuu.

Cora est chercheuse indépendante au Conseil national de la recherche scientifique et technique (Conicet) et professeur associé à la faculté des sciences astronomiques et géophysiques de l'université nationale de La Plata.

"L'objectif principal de ma participation à ce projet est de générer un catalogue de galaxies à partir des données de la simulation Uchuu, qui ne considère que la matière noire."

"Pour ce faire, il se base sur les propriétés des halos de matière noire et la façon dont ils grandissent et fusionnent au fil du temps", a-t-il commencé à expliquer à BBC Mundo.

"Et on applique un modèle semi-analytique de formation et d'évolution des galaxies qui prend en compte de nombreux processus physiques qui déterminent les propriétés des galaxies", poursuit-il.

"Un modèle semi-analytique consiste en un ensemble de recettes analytiques simples qui modélisent différents processus physiques qui affectent le gaz et les étoiles qui composent une galaxie."

"La version la plus récente du modèle utilisé par notre groupe de travail en Argentine est décrite dans un article de la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, MNRAS. Cette tâche est en cours de développement."

Cristian A. Vega Martinez, chercheur au département d'astronomie et à l'institut de recherche multidisciplinaire en science et technologie de l'université de La Serena (ULS) au Chili, participe également au projet.

"L'un des grands défis d'Uchuu a été de gérer et de publier la grande quantité de données qu'une simulation de cette catégorie peut produire."

"Ces types de simulations peuvent facilement générer des centaines de téraoctets en tant que produit", a déclaré Vega à BBC Mundo.

"Nous travaillons donc activement à la conception du teast technique pour manipuler ces données, fournir un moyen direct de les partager, et livrer des outils d'utilisation."

Il y contribue avec son expérience dans le domaine des simulations de la formation et de l'évolution des galaxies, et ma connaissance du calcul haute performance.

"Les données publiées doivent être fournies d'une manière qui puisse être utile à la communauté."

"Les simulations de ce type, qui nous permettent de modéliser de grands volumes de l'univers (qui simulent les structures qui définissent où se forment les galaxies), sont nécessaires pour pouvoir confronter nos théories physiques de la formation des galaxies, et de l'évolution de l'univers, avec les résultats des grandes expériences modernes (télescopes)."

Pour Francisco Prada, l'une des principales raisons de l'importance d'Uchuu est sa libre disponibilité.

"C'est quelque chose de personnel. En tant que scientifique, je crois qu'il est de ma responsabilité de donner accès à d'autres scientifiques qui n'ont pas la possibilité d'effectuer ces simulations afin de pouvoir faire de la science de haut niveau, à la pointe de la technologie", a-t-il déclaré.

"Nous avons rendu ce projet public pour tous les scientifiques du monde, et pas seulement pour les scientifiques, mais aussi pour tous les gens qui disposent d'Internet".

"En Galice, nous disposons également des données, de sorte que les gens peuvent y entrer et les analyser, sans avoir à les télécharger chez eux. Donc nous avons aussi fourni la capacité de calcul, parce que normalement cette capacité de calcul n'est pas capable d'être non plus."

La simulation, l'analyse et la diffusion publique ont été financées par des institutions publiques au Japon et en Espagne.

"Le coût de ce projet est très élevé et il y a très peu de groupes dans le monde qui peuvent réaliser ce projet."

"Nous sommes dans l'ère du Big Data où ce qu'Uchuu a généré est bien supérieur à la quantité de données que Youtube, Amazon et Google ont stocké tous ensemble."

"Nous avons vraiment réussi à mettre la recherche de pointe à la disposition de la société et des scientifiques gratuitement, c'est ce que je trouve très réconfortant."