19 March 2021Le premier milliard d’années de l’Univers en images

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Pierre Ocvirk, de l’Observatoire astronomique de Strasbourg, vient de terminer les calculs de Cosmic Dawn III, une gigantesque simulation du 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”, et l’avènement de l’aube cosmique (Cosmic Dawn en anglais).
Il s’agit de la plus grande simulation de ce type à ce jour: elle a nécessité l’utilisation de 131072 processeurs en parallèle avec 24576 GPUs (accélérateurs de calcul) pendant 10 jours pour produire plus de 20 péta-octets de données, sur le supercalculateur Summit. L’exploitation de la simulation ne fait que commencer, mais un aperçu en video de l’évolution de ce pan d’univers simulé a déjà été réalisé.

Ces films représentent des régions extraites de la simulation, d’une taille de quelques dizaines à une centaine de millions d’années-lumière co-mobiles (une unité de longueur qui tient compte de l’expansion de l’Univers, très rapide aux époques concernées). La période visualisée va d’environ 50 millions d’années après le Big Bang, pendant les âges sombres, jusqu’à 1.25 milliard d’années.

La densité de photons ionisants est représentée en bleu. Elle prend la forme de bulles clignotant au rythme des populations d’étoiles massives qui naissent et meurent. La densité de gaz, en blanc, devient progressivement visible, et matérialise le réseau filamentaire de gaz cosmique, ponctué de noeuds qui sont des galaxies en formation. C’est en leur sein que naissent les étoiles massives, qui brillent quelques millions d’années avant d’exploser en supernovae. Ces détonations peuvent ponctuellement chauffer le gaz, alors représenté en rouge. Les galaxies plus massives, à cause des explosions répétées, et de l’augmentation de la pression du gaz choqué dans leur puits de potentiel, développent des bulles chaudes pérennes, en rouge également, de plusieurs centaines ou plusieurs millions de degrés. Le clignotement timide des premières bulles de photons laisse rapidement la place à une croissance soutenue, au point que les bulles se rejoignent et englobent finalement tout le volume de l’Univers, dont le milieu intergalactique est alors entièrement ionisé.


Le premier milliard d’années de l’Univers, aussi appelé époque de la réionisation, est une période très mal connue, car son observation implique des distances énormes. Afin de mieux la comprendre, elle motive des développements instrumentaux majeurs. C’est dans ce contexte que les données de Cosmic Dawn III sont précieuses. Elles vont aider a établir des prédictions pour le futur observatoire SKA (Square Kilometer Array) dédié a cette époque et son précurseur NenuFAR, ainsi que pour le prochain télescope spatial JWST (James Webb Space Telescope).


Outre les ressources de calcul et de stockage, réaliser et analyser une simulation d’une telle ampleur nécessite d’importants moyens humains. Le projet implique, en plus de P. Ocvirk, D. Aubert, J. Lewis, N. Gillet et J. Chardin, de l’Observatoire Astronomique de Strasbourg également. L’équipe a acquis son savoir-faire en matière de très grandes simulations 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. A ce coeur strasbourgeois s’ajoutent des collaborateurs nationaux et internationaux, en particulier au sein du projet CLUES (Constrained Local Universe Simulations) qui a produit le jeu de conditions initiales de Cosmic Dawn III.

Références & liens :

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

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