Projet Illustris : tout l'univers dans une boîte

Notre compréhension de l'univers est loin d'être complète, et les téléscopes dont nous disposons pour l'étudier sont à la fois coûteux à mettre en place, complexes à utiliser et limités en termes de capacité de capture et de traitement de l'information. Pour les épauler dans cette quête et mieux savoir à quoi s'attendre, les chercheurs développent des simulations informatiques complexes qui reproduisent l'évolution de l'univers. La dernière en date, baptisée Illustris, provient d'une équipe internationale et représente une sérieuse avancée.

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Projet Illustris : tout l'univers dans une boîte

Le projet Illustris est la plus grande simulation informatique de l'univers jamais créée. Elle traque son expansion, l'attraction gravitationnelle de la matière, les mouvements des gaz cosmiques et la formation des étoiles et des trous noirs. Ces composants et processus physiques sont tous modélisés à partir de conditions initiales similaires à celles de notre univers lorsqu'il était jeune, seulement 12 millions d'années après le big bang. Leur évolution est simulée depuis lors jusqu'à notre époque, couvrant plus de 13,8 milliards d'années. Ce projet est le successeur de la simulation Millennium, réalisée en 2005 par des chercheurs européens, qui s'était limitée à modéliser l'évolution de la matière noire.

Le modèle d'Illustris présente un morceau de l'univers sous la forme d'un cube dont chaque côté mesure 350 millions d'années-lumière (106,5 megaparsecs). Le volume simulé contient 41 416 galaxies au total, qui possèdent toutes un haut niveau de détail, de l'ordre de 1 000 années-lumière. Le modèle contient 12 milliards d'éléments visuels, à partir desquels des images peuvent être créées pour les comparer au véritable univers.

UNE EXACTITUDE RECORD

Elles permettent de vérifier que les données de la simulation, qu'il s'agisse de masses, tailles, vitesses de formation d'étoiles ou autres, concordent avec les observations réalisées sur les galaxies de l'univers réel. Notamment, le ratio des formes de galaxies (elliptiques, spirales, irrégulières) présentes dans l'univers est correct, ainsi que la prépondérance de certains éléments dans l'espace (hydrogène neutre dans les masses stellaires, abondance d'éléments plus lourds que l'hélium dans les nuages de gaz intergalactiques). C'est une première. Le modèle n'est cependant pas parfait. Par exemple les galaxies dont la masse est peu élevée se forment trop tôt dans la simulation.

La simulation a été réalisée en plusieurs fois, sur des superordinateurs en France (le Curie du CEA), en Allemagne (le SuperMUC du centre informatique Leibniz) et aux Etats-Unis (le cluster Odyssey et CfA/ITC d'Harvard, et les Ranger et Stampede du TACC). Le plus grand segment a tourné sur 8 192 noyaux et a nécessité 19 millions d'heures de temps-processeur. Un ordinateur de bureau, même le meilleur qui soit, mettrait plus de 2 000 ans à effectuer un calcul de ce type.

Un article présentant les conclusions des travaux intitulé "Properties of galaxies reproduced by a hydrodynamic simulation" a été publié dans la revue scientifique Nature.

Ci-dessous une vidéo de présentation du projet :

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