Première modélisation de la structuration de tout l’Univers observable du big bang jusqu’à aujourd’hui

Après des développements de plusieurs années, six chercheurs (3) de l’équipe Cosmologie du LUTH 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 (4), composante mystérieuse introduite pour expliquer l’accélération de l’expansion de l’Univers (5). 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 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 (6), le Grand Équipement 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.

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 (7), 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 (8) qui vient d’être sélectionné par l’ESA, l’agence spatiale européenne.

1. Le LUTH est un laboratoire Observatoire de Paris/CNRS/Université Paris Diderot et un département scientifique de l’Observatoire de Paris.
2. DEUS : Dark Energy Universe Simulation, www.deus-consortium.org
3. Jean-Michel Alimi, Pier-Stefano Corasaniti, Yann Rasera, Irène Balmes, Vincent Bouillot, Vincent Reverdy.
4. 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 ».
5. 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.
6. www.genci.fr
7. 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.
8. EUCLID est l’une des missions du programme Cosmic Vision de l’ESA (période 2015-2025). Elle est consacrée à l’étude de l’origine de l’accélération de l’expansion de l’Univers.

Dernière modification le 21 décembre 2021