C’Est A Venir – Simuler en 3D l'évolution de l'Univers

Générique du début : 0’-0’12’’

Voix-off : 0’13’’ – 1’10’’.
Saviez-vous que le CEA développe des simulations numériques en trois dimensions de l'Univers ?
Notre Univers contient des objets célestes très différents comme des nuages de gaz, des étoiles, ou des galaxies. Pour mieux comprendre leur structure et leur évolution dans le temps et l’espace, les scientifiques créent des simulations à l’aide de supercalculateurs.
Jusqu'à présent, ces simulations se focalisaient : soit sur des objets cosmiques à petite échelle, comme une étoile, soit sur l'Univers tout entier. Mais elles ne prenaient pas en compte les interactions existantes entre ces grands et ces petits objets. Il faut donc refléter avec précision ces interactions.
Les travaux de recherche du CEA de Saclay en simulation numérique ont permis d’obtenir des résultats scientifiques déterminants en astrophysique grâce notamment à l’utilisation de supercalculateurs internationaux tels que la machine Curie.

1ère intervention de Frédéric Bournaud - Chercheur au Service d’astrophysique du CEA (SAp-Irfu) 1’11 –2’02’’.
Aujourd'hui les équipes du Service d'astrophysique du CEA développent des simulations numériques en 3D. La simulation astrophysique s'est développée depuis une vingtaine d'années et cela fait plus de dix ans que les calculs de simulations sont faits en 3 dimensions.
Par contre, cela ne fait que quelques années que nous sommes capables de visualiser les résultats de ces simulations en trois dimensions. Cette évolution dans la visualisation a été cruciale pour nous permettre d'explorer les simulations et
d'obtenir des données physiques qui étaient jusque-là complètement méconnues.

Nous sommes ici devant les écrans de la Maison de la simulation à Saclay. Sur ces images produites au CEA, nous voyons l'explosion d'une supernova. C'est-à-dire l'explosion d'une étoile qui devient subitement beaucoup plus lumineuse et se met à expulser de grandes quantités de matières et de gaz. Grâce à ces outils de simulation numérique et de visualisation, nous pouvons désormais explorer en quelques minutes, des processus astrophysiques qui se produisent parfois dans la réalité sur plusieurs milliards d'années. 

Voix-off 2’03’’ – 3’04’’ min .
Dans les simulations numériques faites par le CEA, l'ordinateur crée un immense cube de plusieurs milliers ou millions d'années-lumière. Ce cube est découpé en quelques milliards de cellules, chacune ayant ses caractéristiques physiques spécifiques, comme la masse de gaz qu'elle contient, la masse d'étoiles, la température, ou la vitesse de déplacement.
Les objets célestes sont ainsi décrits avec une grande précision. En contrepartie, il faut d'énormes quantités de mémoire pour les représenter et de nombreux processeurs pour calculer rapidement l’évolution de chaque petite cellule.
C'est ici qu'interviennent les supercalculateurs du CEA. Si, par exemple, un processeur gère 4 giga octets de mémoire, et le cube contient 4 téra octets d’informations physique, il faut disposer d'au moins 1 000 processeurs pour faire des calculs.

Dans certaines simulations, on utilise jusqu'à plusieurs dizaines de milliers de processeurs et les calculs peuvent durer plusieurs mois.

2ème intervention de Frédéric Bournaud - Chercheur au Service
d’astrophysique du CEA (SAp-Irfu) 3’05’’ – 4’04’’.
Ces simulations numériques sont devenues un outil indispensable pour résoudre les grandes énigmes de l'astrophysique. Un exemple : pourquoi les galaxies isolées telles que notre Voie Lactée forment des étoiles en très petit nombre, alors que théoriquement on s'attend à ce que tous les ingrédients soient réunis pour qu’elles puissent en former en grande quantité. Notamment, il y a des grandes quantités de gaz galactique dans la Voie Lactée, gaz qui doit pouvoir parfois se comprimer et former de nouvelles étoiles.
Pour résoudre cette énigme, on s’est intéressé en simulation numérique, ici, au cas de la collision entre deux galaxies. Collision au cours de laquelle la formation d’étoiles devient de plus en plus fréquente, les galaxies se mettent à former des étoiles en plus grand nombre. Et ce sont ces simulations numériques qui nous ont permis de comprendre que ce sont des mouvements de compression du gaz à l'intérieur des galaxies qui leur permettent dans ce cas de former des étoiles en grand nombre.
A l’inverse, en simulant ici les vents galactiques autour d'une galaxie isolée, nous avons mis en évidence ce type de mouvement qui dilate le gaz, mouvement de dilatation vu ici à grande échelle. Des mouvements qui sont aussi présents à l'intérieur de la galaxie et ce sont ces mouvements de dilatation du gaz qui l'empêchent de se densifier et donc de former de nouvelles étoiles.

Voix-off : 4’05’’ – 4’35’’.
A l'avenir, les équipes du CEA souhaitent augmenter la précision de leurs simulations. Pour cela, elles vont intégrer dans leurs calculs des lois physiques supplémentaires, telles que l'hydrodynamique, le champ magnétique dans une galaxie, ou l'interaction entre les flux de photons et la matière.
Et pour effectuer plus rapidement ces calculs supplémentaires, les chercheurs pourront bénéficier de l'augmentation progressive de la puissance de calcul des futures générations de supercalculateurs français et européens.

Générique de fin : 4’36’’ – 4’45’’