Une équipe d’astrophysiciens vient de créer 8 millions d’univers uniques à l’intérieur d’un supercalculateur et de les faire évoluer. Leur but ? Clarifier le rôle qu’une substance invisible appelée matière noire a joué dans la vie de notre univers depuis le Big Bang et ce que cela signifie pour notre destinée.
Après avoir découvert que notre univers est principalement composé de matière noire à la fin des années 1960, les scientifiques ont spéculé sur son rôle dans la formation des galaxies et leur capacité à donner naissance à de nouvelles étoiles avec le temps.
Selon la théorie du Big Bang, peu de temps après la naissance de l’univers, une substance invisible et insaisissable que les physiciens ont appelée matière noire a commencé à se regrouper par la force de la gravité en nuages massifs appelés halos de matière noire. Au fur et à mesure que les halos grandissaient en taille, ils ont attiré les nébuleuses d’hydrogène rares qui imprègnent l’univers pour se réunir et former les étoiles et les galaxies que nous voyons aujourd’hui. Dans cette théorie, la matière noire agit comme l’épine dorsale des galaxies, dictant comment elles se forment, fusionnent et évoluent dans le temps.
Pour mieux comprendre comment la matière noire a façonné cette histoire de l’univers, Peter Behroozi, professeur adjoint d’astronomie à l’Université de l’Arizona, et son équipe ont créé leurs propres univers en utilisant le supercalculateur de l’école. Les 2 000 processeurs de l’ordinateur ont travaillé sans pause pendant trois semaines pour simuler plus de 8 millions d’univers uniques. Chaque univers a obéi individuellement à un ensemble unique de règles pour aider les chercheurs à comprendre la relation entre la matière noire et l’évolution des galaxies.
« Sur l’ordinateur, nous pouvons créer de nombreux univers différents et les comparer à l’univers réel, ce qui nous permet de déduire quelles règles mènent à celui que nous voyons », a dit Behroozi dans une déclaration.
Alors que les simulations précédentes se sont concentrées sur la modélisation de galaxies uniques ou la génération d’univers fantaisistes avec des paramètres limités, la UniverseMachine est la première de sa gamme. Le programme a continuellement créé des millions d’univers, chacun contenant 12 millions de galaxies, et chacun a permis d’évoluer au cours de presque toute l’histoire de l’univers réel, de 400 millions d’années après le Big Bang à nos jours.
« La grande question est de savoir comment se forment les galaxies », a déclaré Risa Wechsler, professeur de physique et d’astrophysique à l’Université Stanford. « Ce qu’il y a de vraiment cool dans cette étude, c’est que nous pouvons utiliser toutes les données que nous avons sur l’évolution des galaxies – le nombre de galaxies, le nombre d’étoiles qu’elles possèdent et comment elles forment ces étoiles – et les rassembler en un tableau complet des 13 derniers milliards d’années de l’univers. »
Créer une réplique de notre univers, ou même d’une galaxie, nécessiterait une puissance de calcul sans pareille. Ainsi, Behroozi et ses collègues se sont concentrés sur deux propriétés clés des galaxies : leur masse combinée d’étoiles et la vitesse à laquelle elles donnent naissance à de nouvelles étoiles.
« Simuler une seule galaxie nécessite de 10 à 48 opérations de calcul », explique Behroozi, se référant à une opération en octillion, ou un 1 suivi par 48 zéros. « Tous les ordinateurs de la Terre réunis n’ont pas pu le faire en cent ans. Pour simuler une seule galaxie, et encore moins 12 millions, nous avons dû faire les choses différemment. »
Au fur et à mesure que le programme informatique crée de nouveaux univers, il devine comment le taux de formation des étoiles d’une galaxie est lié à son âge, à ses interactions passées avec d’autres galaxies et à la quantité de matière noire dans son halo. Il compare ensuite chaque univers avec des observations réelles, affinant les paramètres physiques à chaque itération pour mieux correspondre à la réalité. Le résultat final est un univers presque identique au nôtre.
Selon Wechsler, leurs résultats ont montré que la vitesse à laquelle les galaxies donnent naissance aux étoiles est étroitement liée à la masse de leur halo de matière noire. Les galaxies avec des masses de halo de matière sombre les plus semblables à notre propre Voie Lactée avaient les taux de formation d’étoiles les plus élevés. Elle a expliqué que la formation des étoiles est étouffée dans les galaxies plus massives par une abondance de trous noirs.
Leurs observations ont également remis en question les croyances de longue date selon lesquelles la matière noire étouffait la formation des étoiles dans l’univers primitif.
« En remontant de plus en plus tôt dans l’univers, on s’attendrait à ce que la matière noire soit de plus en plus dense, et donc que le gaz devienne de plus en plus chaud. C’est mauvais pour la formation des étoiles, alors nous pensions que de nombreuses galaxies de l’univers primitif auraient dû cesser de former des étoiles il y a longtemps », a dit Behroozi. « Mais nous avons trouvé le contraire : Les galaxies d’une taille donnée étaient plus susceptibles de former des étoiles à un taux plus élevé, contrairement aux prévisions. »
Maintenant, l’équipe projette d’étendre la Universe Machine pour tester d’autres façons dont la matière noire pourrait affecter les propriétés des galaxies, y compris comment leurs formes évoluent, la masse de leurs trous noirs et combien de fois leurs étoiles se transforment en supernova.
« Pour moi, le plus fascinant, c’est que nous avons maintenant un modèle où nous pouvons commencer à poser toutes ces questions dans un cadre qui fonctionne », a dit Mme Wechsler. « Nous avons un modèle qui est suffisamment peu coûteux sur le plan informatique pour que nous puissions simuler un univers entier en une seconde environ. On peut se le permettre des millions de fois et explorer tout les paramètres spatiaux. »
Le groupe de recherche a publié ses résultats dans le numéro de septembre de la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
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