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Une simulation géante du premier milliard d’années de l’Univers

nov. 18 2019

Gauche: frise temporelle (le temps s’écoule vers la droite) montrant l’évolution de l’état d’ionisation de l’Univers pendant le premier milliard d’années de l’Univers. La boite mesure environ 350 millions d’années lumière de côté. La couleur bleue indique le gaz tiède photo-ionisé, le rouge montre les régions plus chaudes, résultant de chocs, et les régions sombres sont froides, neutres et opaques. Le petit carré dans l’image de gauche montre la taille de la région agrandie dans le cadre de droite. Ce dernier permet d’apprécier à une résolution 32x plus grande, l’impact du rayonnement sur les structures de gaz. Ces images sont tirées de simulations précédentes réalisées par l’équipe de l’Observatoire astronomique de Strasbourg.

Une version haute résolution de la figureest disponible.

Une équipe internationale, menée par P. Ocvirk, de l’Observatoire astronomique de Strasbourg, va utiliser Summit, le super-ordinateur le plus puissant du monde, pour réaliser une gigantesque simulation de formation des galaxies pendant le premier milliard d’années de l’Univers, période qui comprend la naissance des toutes premières étoiles, marquant ainsi la fin de la période des “âges sombres”. Grâce à la puissance de Summit, cette simulation, nommée Cosmic Dawn III (aube cosmique), sera la plus grande simulation de ce type jamais produite. Elle utilisera plus d’un trillion (mille milliards) d’éléments de calcul (particules et parcelles de gaz), pour une taille totale de 21 Pétaoctets. C’est la capacité de stockage de plus de 300 000 smartphones de 64 Go. Cosmic Dawn III générera un jeu de données qui sera rendu public, et qui sera précieux pour l’interprétation des données provenant des nouveaux observatoires dédiés au premier milliard d’années de l’Univers, tels que NenuFAR (Station de Radioastronomie de Nançay), le James Webb Space Telescope, et les futurs télescopes géants SKA et ELT.


Peu après le Big Bang, la matière composant l’Univers est sous la forme d’un plasma très chaud. C’est seulement 300 000 ans plus tard, lorsque l’Univers s’est suffisamment refroidi, que les premiers atomes d’Hydrogène peuvent se former. Le plasma originel devient alors un gaz neutre et relativement froid. C’est a partir de ce gaz que les toutes premières étoiles se forment, environ 150 millions d'années après le Big Bang. En se propageant, leur intense lumière casse les atomes d’Hydrogène, ramenant ainsi le milieu intergalactique à l’état de plasma qui prévalait juste après le Big Bang. C’est ce bégaiement dans l’histoire d’ionisation de l’Univers, qui amène les astrophysiciens a parler de “ré-ionisation”, puisque l’Univers redevient ionisé avec l’apparition des premières étoiles. Cette réionisation s'accompagne d'un échauffement parfois lourd de conséquences: le gaz devient suffisamment chaud pour échapper à la faible gravité des galaxies les moins massives, les privant ainsi du matériau qui leur permettait de former des étoiles. Ainsi, les étoiles jeunes produisent un rayonnement ionisant qui tend, dans certaines conditions, à freiner ou empêcher la formation des générations stellaires suivantes. Ce type de rétro-action rend la modélisation de la formation des galaxies particulièrement délicate, des lors que l’on prend en compte le rayonnement, essentiel pour bien décrire l’époque de la réionisation. On parle de couplage d’échelles: le cœur des petites galaxies de l’Univers jeune mesure quelques centaines d’années lumière tout au plus, et pourtant leur capacité à collecter (par gravité) et garder du gaz capable de former des étoiles peut être affectée par le rayonnement collectif des galaxies voisines et jusqu’à des distances de plusieurs dizaines de millions d’années lumière. C’est ce grand écart dans les échelles spatiales que doit décrire la simulation qui est a l’origine de son gigantisme, elle doit pouvoir décrire le très petit comme le très grand.


C’est la croissance soutenue de la puissance des ordinateurs qui permet aujourd’hui de réaliser des calculs d’une telle magnitude, inenvisageables il y a 20 ans. Sur Titan, le prédécesseur de Summit, également super ordinateur le plus puissant du monde à sa construction en 2012, Cosmic Dawn III aurait nécessité 540 millions d’heures de calcul, c’est à dire plus de 60 000 ans sur un processeur unique. Grâce aux presque 2 millions et demi de cœurs de Summit, ce temps est réduit à une semaine. Cependant, orchestrer efficacement un tel ballet de 0 et de 1 est un énorme défi, qui mobilise depuis plus de 10 ans l’équipe strasbourgeoise, récompensée en 2019 par le prix ATOS - Joseph Fourier pour ses travaux pionniers dans le domaine, et en particulier sur les architectures hybrides telles que Summit. L’accès exceptionnel octroyé vient confirmer la reconnaissance internationale du savoir-faire de l’équipe, acquis sur des moyens de calcul d’abord régionaux, auprès du centre de calcul de l’Université de Strasbourg, puis nationaux, grâce à GENCI (Grand Equipement National de Calcul Intensif) et l’IDRIS (Institut de Développement et des Ressources en Informatique Scientifique), et enfin européens.


Cosmic Dawn III permettra d’étudier le déroulement de la réionisation de l’Univers tel que résultant de la formation des premières galaxies, l’apparition et le rôle des éléments chimiques, la formation des poussières dans la modulation de leur émissivité ionisante et leur interaction avec le fond ultra-violet, mais aussi de mieux capturer les propriétés et l’évolution de la population d’absorbants du milieu intergalactique et du mélange complexe des différentes phases de gaz chaud et froid entourant les galaxies.


Une autre particularité de Cosmic Dawn III est qu’elle utilisera comme conditions initiales (c’est à dire comme “point de départ”) une distribution de la matière qui, au terme de l’évolution cosmique sous l’effet de la gravité, produit un Univers local virtuel, contenant plusieurs des grandes structures connues de notre environnement cosmique, c’est à dire une Voie Lactée et sa voisine la galaxie d’Andromède, l’amas de galaxies de la Vierge, et plusieurs groupes de galaxies environnantes. Malgré ces spécificités, la distribution de matière à grande échelle a les mêmes propriétés statistiques qu’un volume d’Univers pris au hasard. Ainsi, Cosmic Dawn III décrira non seulement l’évolution d’un volume d’Univers “moyen”, mais montrera aussi comment notre propre voisinage cosmique s’est formé et a évolué durant le premier milliard d’années de l’Univers.


Bien que les 4 millions de dollars que coûtera la production de la simulation soient entièrement assumés par le centre de calcul américain (Oak Ridge Leadership Computing Facility), réaliser et analyser une simulation d’une telle ampleur nécessite en outre d’importants moyens humains. Le projet impliquera, en plus de P. Ocvirk, D. Aubert, J. Chardin, J. Lewis, et N. Gillet, de l’Observatoire Astronomique de Strasbourg également. A ce cœur strasbourgeois s’ajoutent des collaborateurs nationaux et internationaux, en particulier au sein du projet CLUES (Constrained Local Universe Simulations), dont J. Sorce est membre du conseil exécutif, et porte la responsabilité de la production des conditions initiales de Cosmic Dawn III.


Références & liens:
Oak Ridge Leadership Computing Facility: https://www.olcf.ornl.gov/
INCITE: www.doeleadershipcomputing.org/wp-content/uploads/2020INCITEFactSheets.pdf
NenuFAR: https://www.obs-nancay.fr/-NenuFAR-45-.html?lang=fr
JWST: https://www.jwst.nasa.gov/
SKA: https://www.skatelescope.org/
ELT: https://www.eso.org/public/teles-instr/elt/
CLUES: https://www.clues-project.org/cms/

Contact:
Pierre Ocvirk, pierre.ocvirk@astro.unistra.fr

Une version haute resolution de la figure est disponible à l’url suivante:
http://astro.u-strasbg.fr/~ocvirk/Summit_PR.png

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