La simulation déjà réalisée et celles programmées pour fin mai 2012 constitueront une aide exceptionnelle aux grands projets d’observation et de cartographie de notre Univers. Elles permettront de mieux comprendre la nature de l’énergie noire et son influence sur la structuration de l’Univers, l’origine de la distribution de la matière noire et des galaxies.
Après des développements de plusieurs années, six chercheurs de
l’équipe Cosmologie du LUTH (1) ont réalisé la
première simulation de la structuration de tout notre Univers observable, du Big Bang jusqu’à aujourd’hui. Au-delà du modèle cosmologique standard avec constante cosmologique qu’ils viennent d’achever, leurs travaux distinguent deux autres modèles cosmologiques avec énergie noire
(2), composante mystérieuse introduite pour expliquer l’accélération de l’expansion de l’Univers (3). Quelle est l’empreinte de l’énergie noire sur la structuration de l’Univers ? Et réciproquement, comment déduire de l’étude de la structuration de l’Univers la nature de cette énergie ? Deux questions fondamentales auxquelles le
projet Deus : full universe run (4) tentera de répondre.
La
simulation du modèle standard de la cosmologie, qui vient d’être réalisée, a déjà permis de
mesurer le nombre d’amas de galaxies de masse supérieure à cent mille milliards de masse solaire qui s’élève aujourd’hui à
plus de 144 millions. Autres enseignements :
le premier amas de ce type est apparu alors que l’Univers n’avait que 2 milliards d’années et l’amas le plus massif dans l’Univers observable aujourd’hui pèse 15 millions de milliards de masses solaires. Les données générées lors du calcul permettent également de
mesurer les fluctuations de la distribution de la matière noire. Celles-ci résultent des fluctuations du fond de rayonnement cosmologique issues du Big-Bang, observées par les satellites WMAP et Planck. Ces observations sont cette fois obtenues dans une simulation qui couvre toute l’histoire de l’Univers, avec une
précision jamais atteinte et sur la plus large gamme d’échelles jamais observées, de quelques millionièmes à la taille de l’Univers. Elles dévoilent avec précision les empreintes sur la matière noire des oscillations du gaz primordial (« Oscillations Baryoniques Acoustiques »). Ces calculs apparaissent déjà comme une mine prodigieuse de nouveaux résultats intéressant toute la communauté cosmologique.
La mise en œuvre de ce projet exceptionnel a été rendue possible grâce aux puissantes ressources mises à la disposition de ces chercheurs par GENCI, le
Grand Equipement National de Calcul Intensif, sur son
supercalculateur CURIE doté de plus de 92 000 unités de calcul et capable de réaliser 2 millions de milliards d’opérations à la seconde (2 PFlop/s). La machine CURIE est installée et exploitée par le
CEA au sein du Très Grand Centre de Calcul, à Bruyères-le-Châtel (Essonne). Conçue par Bull, c’est
l’une des cinq machines les plus puissantes au monde.
(1) Le LUTH est un laboratoire Observatoire de
Paris/CNRS/Université Paris Diderot et un département scientifique de
l’Observatoire de Paris.
(2) Le premier modèle est le modèle de concordance, il
envisage la présence d’une constante cosmologique. Un deuxième modèle
prévoit la présence d’une composante d’énergie noire dynamique qui
emplit tout l’Univers. Enfin, le troisième modèle mime une modification
des lois de la gravitation aux grandes échelles, par la prise en compte
d’une composante accélératrice dite « fantôme ».
(3) La mise en évidence observationnelle de
l’accélération de l’expansion cosmique dont l’énergie noire serait la
source a été récompensée par le prix Nobel de physique 2011.
(4) DEUS : Dark Energy Universe Simulation, www.deus-consortium.org
(5) Dans un Univers âgé d’environ 13,7 milliards
d’années, la lumière parcourt pour nous parvenir une distance plus
grande que 13,7 milliards d’années-lumière du fait de l’expansion de
l’Univers au cours de son trajet. Cette distance dépend précisément du
modèle cosmologique considéré. L’espace étant en expansion il se dilate
pendant le trajet et conduit la lumière à parcourir environ 45 milliards
d’années-lumière.
(6) EUCLID est l’une des missions du programme Cosmic Vision
de l’ESA (période 2015-2025). EUCLID est consacré à l’étude de
l’origine de l’accélération de l’expansion de l’Univers.
http://www.esa.int/esaSC/SEMOZ59U7TG_index_0.html
Deus : full universe run constitue une nouvelle avancée qui
dépasse largement les calculs les plus performants réalisés à ce jour
par toutes les équipes internationales sur les plus grands centres de
calcul du monde. L’ensemble du projet nécessitera plus de 30 millions d’heures de calculs (près de 3500 ans) réparties sur la quasi-totalité des unités de calcul CURIE. Plus de 150 péta-octets de données(soit l’équivalent de 30 millions de DVD)
seront générés durant ces calculs. Grâce à un processus de sélection
avancé et innovant, il sera possible de n’en conserver que 1 Po utile.
Dès à présent, il est possible de parcourir pour la première fois, pour le modèle standard de la cosmologie avec constante cosmologique, la distribution
de la matière noire et des galaxies dans tout l’Univers sur des
distances équivalent à 90 milliards d’années-lumière (5), et d’observer leurs évolutions tout au long de l’histoire de l’Univers.
Les résultats de ces voyages, dans tout l'Univers observable d’ici et maintenant jusqu’à la limite du Big-Bang pour les trois modèles cosmologiques, sont programmés pour fin mai prochain.
Ils permettront de mieux connaître l’influence de l’énergie noire sur
la structuration de l’Univers et constitueront une aide exceptionnelle à
l’élaboration et l’interprétation des « catalogues » cosmologiques
présents et futurs des grands projets d’observation, spécialement ceux
portés par les grandes agences spatiales internationales, comme le
projet EUCLID (6) qui vient d’être sélectionné par l’ESA, l’agence spatiale européenne.