Ils ont remonté le temps avec Megatron pour voir naître la Voie lactée : le résultat réserve une énorme surprise

Savez-vous que la toute première simulation d'interaction de galaxies de l'histoire a été réalisée en 1941 par l'astronome suédois Erik Holmberg ? Il ne s'agissait pas d'un calcul numérique, mais de l'utilisation de composants et de capteurs électroniques de son époque, dont le fonctionnement était décrit par des équations semblables à celles de la mécanique céleste. En d'autres mots, Holmberg avait construit et utilisé un calculateur analogique.

Que de chemin parcouru aujourd'hui si l'on considère les résultats du projet Megatron, dirigé par Harley Katz à l'Université de Chicago, qui constitue, comme l'explique un communiqué de cette université, l'une des simulations les plus détaillées jamais réalisées de la formation d'une galaxie semblable à la Voie lactée. Elle a nécessité trois années de calcul sur superordinateurs, permettant de suivre l'évolution de milliers de petites galaxies et en tenant compte de leurs sous-structures fines au cours du premier milliard d'années de l'Univers.

Remarquablement, cette simulation reposant sur plusieurs hypothèses, notamment celles du Modèle cosmologique standard avec matière et énergie noires, permet  de prédire comment ces galaxies apparaîtraient pour Hubble ou le JWST et donc de tester, avec les observations actuelles, les prédictions des modèles astrophysiques et cosmologiques utilisés par Megatron.

Rappelons qu'il y a quelques décennies, parce que les ordinateurs n'étaient pas encore suffisamment performants et parce que le Modèle cosmologique standard avec matière noire supposait que la force de gravité de ses distributions de masses devait dominer largement celle des distributions de matière baryonique normale sous forme d'étoiles et de nuage d'hydrogène et d'hélium, on n'étudiait la naissance et l'évolution des galaxies et des grandes structures rassemblant les amas de galaxies qu'en utilisant des simulations avec de la matière noire.

Une simulation de la zone qui finira par s'effondrer pour former la Voie lactée, débutant 180 millions d'années après le Big Bang et s'étendant sur deux milliards d'années. Les filaments violets représentent du gaz chaud ; le blanc, le rayonnement UV des étoiles ; et le jaune, les atomes d'oxygène incandescents. Des éclairs blancs et jaunes apparaissent lorsque le gaz se refroidit et s'effondre pour former des étoiles, ce qui réchauffe ensuite le gaz, et le cycle recommence. Les très fortes explosions sont des événements de formation d'étoiles catastrophiques, généralement causés par des instabilités ou par la fusion de galaxies. © The University of Chicago

Des simulations qui nécessitent toute l'astrophysique ?

Mais au cours du XXI^e siècle, les choses ont changé et, pour tenter de résoudre les énigmes posées par certains échecs des simulations avec uniquement de la matière noire, des descriptions plus fines ont été prises en compte. En effet, les modifications des répartitions de la matière ordinaire en raison du souffle des explosions des supernovae ou des vents des trous noirs supermassifs dans les galaxies - pour ne citer que ces phénomènes - doivent aussi influencer par sa gravité le comportement de la matière noire. Il y avait donc, plus généralement, des boucles de rétroactions à prendre en compte et c'est ce que font depuis des simulations de plus en plus savantes, comme le prouve la publication de six articles issus des résultats de Megatron (voir sur arXiv), qui apportent ainsi de nouveaux éclairages sur la composition des premières galaxies et sur la manière dont les éléments chimiques se sont formés au fil du temps.

Dans le communiqué de l'Université de Chicago, Harley Katz déclare ainsi : « À quoi ressemble la Voie lactée à l'époque que nous appelons l'aube cosmique ? Pour la première fois, nous pouvons prédire directement à quoi la jeune Voie lactée aurait ressemblé vue par des télescopes comme Hubble ou le télescope spatial James-Webb... Essentiellement, nous introduisons toute la physique que nous pensons pertinente - gravitation, hydrodynamique, rayonnement, chimie, etc. - puis nous laissons le système évoluer et nous regardons s'il reproduit ce que nous observons aujourd'hui autour de nous. »

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Les chercheurs ont ainsi vu que des galaxies spirales, comme la Voie lactée, pouvaient naître des fusions de plusieurs milliers de galaxies naines au cours des premières centaines de millions d'années de l'histoire du cosmos observable, certaines de ces petites galaxies produisant d'énormes quantités de nouvelles étoiles, d'autres ne contenant que du gaz ou étant peuplées d'étoiles mortes et de trous noirs.

« Nous suivons des milliers de sous-systèmes dans le modèle et calculons directement à quoi ils auraient ressemblé vus par nos télescopes spatiaux les plus puissants, ce qui représente plusieurs ordres de grandeur de plus que dans les simulations précédentes. On y observe une diversité incroyable. Certaines galaxies connaissent des flambées de formation d'étoiles, d'autres sont mortes, d'autres encore sont en train de mourir », explique en effet Katz.

Notre Voie lactée est une galaxie spirale barrée, un peu comme la galaxie NGC 1300 que l'on voit ici photographiée par Hubble. © Nasa, ESA, The Hubble Heritage Team STScI AURA

Des traces des premières étoiles de l'Univers ?

Un autre résultat important concerne les mythiques étoiles de population III, les toutes premières étoiles formées après le Big Bang. La nucléosynthèse stellaire chère au regretté Hubert Reeves n'ayant pas pu se faire avant elles, nécessairement elles devaient être   constituées presque uniquement d'hydrogène et d'hélium. Mais elles auraient produit néanmoins ensuite de grandes quantités de fer, dispersées par leurs explosions en supernovae. Les petites galaxies n'auraient pas eu assez de gravité pour retenir ce fer, contrairement aux galaxies plus massives. Cela pourrait expliquer certaines anomalies observées dans la relation entre la masse des galaxies naines et leur abondance en fer.

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Katz, toujours dans le communiqué, précise : « Ce qui rend notre simulation unique, c'est que, pour la première fois, nous avons modélisé l'enrichissement en éléments chimiques individuels produit par des étoiles individuelles après le Big Bang, tout en le couplant à des modèles détaillés de la gravité, de la chimie, du rayonnement et des processus stellaires. »

D'ordinaire, et plus généralement, les astrophysiciens simplifient bien des modèles en supposant qu'ils font intervenir des lois issues d'une physique des systèmes dits à l'équilibre.

Mais parfois, et c'est moins facile à faire, il faut utiliser pour une meilleure description les lois de la physique hors équilibre. Mégatron est la première simulation à grande échelle permettant de le faire en cosmologie.

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