Une simulation géante fait revivre les débuts de l'Univers : voici ce qui a mis fin aux âges sombres

Le modèle cosmologique standard suppose l'existence de particules de matière noire, dont les distributions de masses dominent celles de la matière normale avec des atomes d'hydrogène et d'hélium qui constituent l'essentiel des galaxies sous forme d'étoiles et de nuages de gaz.

Ce même modèle suppose l'existence d'une sorte de gravité répulsive, qui commence à montrer son influence dominante au niveau des amas de galaxies. Cet effet serait causé par ce que l'on appelle l'énergie noire. Toutefois, ni cette dernière ni la matière noire n'ont un statut théorique clair, ce qui veut dire qu'il existe plusieurs modèles d'une nouvelle physique qui peuvent expliquer l'existence et les propriétés de ces composants « obscurs » du Cosmos.

Pour en savoir plus, les astrophysiciens et les cosmologistes font donc des simulations numériques avec plusieurs des hypothèses possibles derrière cette nouvelle physique en espérant que les calculs montrant la formation des galaxies, leur évolution et leur rassemblement dans des amas de galaxies, ainsi que l'évolution de matière baignant ces structures permettront en comparant les prédictions aux observations de faire le tri entre les théories possibles et même de déterminer quelle est la bonne.

Depuis 13,7 milliards d’années, l’Univers n’a cessé d’évoluer. Contrairement à ce que nous disent nos yeux lorsque l’on contemple le ciel, ce qui le compose est loin d’être statique. Les physiciens disposent des observations à différents âges de l’Univers et réalisent des simulations dans lesquelles ils rejouent sa formation et son évolution. Il semblerait que la matière noire ait joué un grand rôle depuis le début de l’Univers jusqu’à la formation des grandes structures observées aujourd’hui. © CEA

Des calculs au-delà de la matière noire

Les simulations se sont affinées au cours des années avec la prise de conscience que si la force gravitationnelle attractive de la matière noire domine bien les galaxies et les amas de galaxies, les détails fins du souffle des explosions d'étoiles, de leur rayonnement ainsi que des phénomènes associés à ceux des trous noirs supermassifs (quand ils avalent goulûment de la matière et émettent eux aussi des vents de matière) ne sont pas négligeables.

Matière noire : une simulation géante de l'univers pour percer ses secrets

Pour interpréter au mieux les observations du futur satellite Euclid, de l'ESA, et percer les secrets de la matière et de l'énergie noires, des simulations numériques de la formation des galaxies sont nécessaires. L'une d'elles vient de battre le record de taille en simulant l'évolution de l'univers observable depuis les âges sombres.... Lire la suite

La dernière simulation en date de haute précision, qui explore les deux premiers milliards d'années environ de l'évolution de l'Univers qui sont représentés en grande partie dans la vidéo artistique du CEA ci-dessus, a donné de nouveaux résultats que l'on peut consulter dans un article dont une version en accès libre existe sur arXiv.

C'est une version améliorée de la simulation IllustrisTNG et elle s'appelle Lumina car elle suit simultanément non seulement l'évolution de la matière noire, du gaz de baryons de la matière normale et des étoiles, mais elle tient compte finement aussi d'une théorie du transfert radiatif, comme le disent dans leur jargon les astrophysiciens, c'est-à-dire l'impact des rayonnements électromagnétiques produits de diverses façons dans les galaxies.

Survol d'un halo massif à un décalage vers le rouge z=3, depuis l'environnement cosmique à grande échelle jusqu'aux régions internes denses du halo où les galaxies individuelles deviennent visibles vers la fin de la séquence. La vidéo montre la distribution de la densité de matière noire, de la densité du gaz, de la température du gaz, de la métallicité du gaz et de la lumière stellaire à travers le système. © Lumina Simulation

L'énigme de la réionisation

L'un des problèmes évoqués est celui de la réionisation, qui est aussi abordé dans la vidéo du CEA. Rappelons ce qu'elle explique : environ 380 000 ans après le Big Bang et en quelques milliers d'années, le plasma de noyaux et d'électrons s'est suffisamment refroidi pour former des atomes d'hydrogène et d'hélium essentiellement, libérant ainsi - comme un brouillard qui se dissipe - la plus ancienne lumière de l'Univers, le rayonnement fossile, l'Univers étant devenu partiellement transparent.

Pendant des dizaines de millions d'années, la matière formée est neutre et les étoiles n'existent pas encore pour illuminer l'Univers, c'est le temps des âges sombres, comme disent les cosmologistes. Or, aujourd'hui, nous constatons qu'une bonne partie de la matière intergalactique est ionisée avec des atomes ayant perdu leurs électrons. Tout le problème est de comprendre ce qui s'est passé pendant une période, naturellement appelée celle de la réionisation.

Des astrophysiciens du MIT, de Harvard et de plusieurs autres institutions ont donc maintenant de nouveaux éléments de réponse à cette question avec leur développement conjoint de Lumina, qui reproduit donc ce qui s'est probablement passé dans une simulation de l'évolution de l'Univers dans un volume de 1,6 milliard d'années-lumière de large, en utilisant 15 000 GPU et plus de 100 000 cœurs CPU.

Cette vidéo présente un zoom important sur une galaxie massive de forme discoïdale à un décalage vers le rouge z=4, couvrant l'ensemble du volume de Lumina. On y voit successivement la densité de matière noire, la vitesse et la température du gaz, une image synthétique multibande, la métallicité du gaz, la fraction d'HeIII et la densité du gaz. Elle illustre l'immense gamme dynamique de Lumina. © Lumina Simulation

Deux causes de réionisation, les étoiles et les trous noirs

Selon Lumina, la réionisation de l'hydrogène aurait principalement été provoquée par le rayonnement ultraviolet des premières étoiles et galaxies, rayonnement qui aurait donc arraché des électrons aux atomes. Sans cette réionisation, nous ne verrions pas aussi loin dans l'Univers, des atomes neutres absorbant une partie du rayonnement.

La réionisation de l'hélium, en particulier le passage de l'hélium une fois ionisé à l'hélium deux fois ionisé, nécessite des photons beaucoup plus énergétiques et aurait été largement alimentée par les quasars hébergeant des trous noirs supermassifs en accrétion.

En résumé, la simulation permet également de suivre la formation hiérarchique des structures cosmiques : la matière noire s'accumule en halos gravitationnels, le gaz tombe dans ces halos, puis des galaxies et des étoiles se forment. Leur rayonnement modifie ensuite les propriétés du milieu intergalactique, le tout étant testable avec de vastes catalogues de galaxies observées, notamment avec les grands relevés cosmologiques à venir ou des observations du JWST.

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