Une équipe d'astrophysiciens vient de donner naissance à 8 millions d'univers uniques à l'intérieur d'un supercalculateur et de les laisser évoluer de tout-petits à de vieux geezers. Leur objectif? Pour cerner le rôle qu'une substance invisible appelée matière noire a joué dans la vie de notre univers depuis le Big Bang et ce que cela signifie pour notre destin.
Après avoir découvert que notre univers est principalement composé de matière noire à la fin des années 1960, les scientifiques ont spéculé sur son rôle dans la formation des galaxies et leur capacité à donner naissance à de nouvelles étoiles au fil du temps.
Selon la théorie du Big Bang, peu de temps après la naissance de l'univers, une substance invisible et insaisissable que les physiciens ont surnommée la matière noire a commencé à s'agglutiner par la force de la gravité dans des nuages massifs appelés halos de matière noire. Au fur et à mesure que les halos grandissaient, ils attiraient le gaz d'hydrogène clairsemé pénétrant l'univers pour se rassembler et former les étoiles et les galaxies que nous voyons aujourd'hui. Dans cette théorie, la matière noire agit comme l'épine dorsale des galaxies, dictant leur formation, leur fusion et leur évolution au fil du temps.
Pour mieux comprendre comment la matière noire a façonné cette histoire de l'univers, Peter Behroozi, professeur adjoint d'astronomie à l'Université de l'Arizona, et son équipe ont créé ses propres univers en utilisant le supercalculateur de l'école. Les 2 000 processeurs de l'ordinateur ont fonctionné sans interruption pendant trois semaines pour simuler plus de 8 millions d'univers uniques. Chaque univers obéissait individuellement à un ensemble unique de règles pour aider les chercheurs à comprendre la relation entre la matière noire et l'évolution des galaxies.
"Sur l'ordinateur, nous pouvons créer de nombreux univers différents et les comparer à celui réel, ce qui nous permet de déduire quelles règles conduisent à celui que nous voyons", a déclaré Behroozi dans un communiqué.
Alors que les simulations précédentes se sont concentrées sur la modélisation de galaxies uniques ou la génération d'univers fictifs avec des paramètres limités, l'UniverseMachine est le premier de sa portée. Le programme a continuellement créé des millions d'univers, contenant chacun 12 millions de galaxies, et chacun a permis d'évoluer sur presque toute l'histoire de l'univers réel, de 400 millions d'années après le Big Bang à nos jours.
"La grande question est:" Comment se forment les galaxies? "", A déclaré la chercheuse Risa Wechsler, professeur de physique et d'astrophysique à l'Université de Stanford. "La chose vraiment cool à propos de cette étude est que nous pouvons utiliser toutes les données que nous avons sur l'évolution des galaxies - le nombre de galaxies, combien d'étoiles elles ont et comment elles forment ces étoiles - et rassembler cela dans une image complète de la dernière 13 milliards d'années de l'univers. "
La création d'une réplique de notre univers, ou même d'une galaxie, nécessiterait une quantité inexplicable de puissance de calcul. Behroozi et ses collègues ont donc réduit leur attention à deux propriétés clés des galaxies: leur masse combinée d'étoiles et la vitesse à laquelle elles donnent naissance à de nouvelles.
"La simulation d'une seule galaxie nécessite 10 à la 48e opération informatique", a expliqué Behroozi, se référant à une opération en octillion, ou à un 1 suivi de 48 zéros. "Tous les ordinateurs de la Terre combinés ne pouvaient pas faire cela en cent ans. Donc, pour simuler une seule galaxie, sans parler de 12 millions, nous avons dû procéder différemment."
Au fur et à mesure que le programme informatique crée de nouveaux univers, il fait une supposition sur la façon dont le taux de formation d'étoiles d'une galaxie est lié à son âge, ses interactions passées avec d'autres galaxies et la quantité de matière noire dans son halo. Il compare ensuite chaque univers avec des observations réelles, en affinant les paramètres physiques à chaque itération pour mieux correspondre à la réalité. Le résultat final est un univers presque identique au nôtre.
Selon Wechsler, leurs résultats ont montré que la vitesse à laquelle les galaxies donnent naissance aux étoiles est étroitement liée à la masse de leurs halos de matière noire. Les galaxies avec des masses de halo de matière noire les plus similaires à notre propre voie lactée avaient les taux de formation d'étoiles les plus élevés. Elle a expliqué que la formation d'étoiles est étouffée dans les galaxies plus massives par une abondance de trous noirs
Leurs observations ont également remis en question les croyances de longue date selon lesquelles la matière noire étouffait la formation d'étoiles dans le premier univers.
"Alors que nous remontons de plus en plus tôt dans l'univers, nous nous attendrions à ce que la matière noire soit plus dense, et donc que le gaz devienne de plus en plus chaud. C'est mauvais pour la formation des étoiles, donc nous avions pensé que beaucoup de galaxies au début l'univers aurait dû cesser de former des étoiles il y a longtemps ", a déclaré Behroozi. "Mais nous avons trouvé le contraire: les galaxies d'une taille donnée étaient plus susceptibles de former des étoiles à un taux plus élevé, contrairement à ce que l'on attendait."
Maintenant, l'équipe prévoit d'étendre l'UniverseMachine pour tester plus de façons dont la matière noire pourrait affecter les propriétés des galaxies, y compris la façon dont leurs formes évoluent, la masse de leurs trous noirs et la fréquence à laquelle leurs étoiles deviennent supernova.
"Pour moi, la chose la plus excitante est que nous avons maintenant un modèle où nous pouvons commencer à poser toutes ces questions dans un cadre qui fonctionne", a déclaré Wechsler. "Nous avons un modèle qui est assez peu coûteux en calcul, que nous pouvons essentiellement calculer un univers entier en environ une seconde. Ensuite, nous pouvons nous permettre de le faire des millions de fois et d'explorer tout l'espace des paramètres."
Le groupe de recherche a publié ses résultats dans le numéro de septembre de la revue Monthly Notices de la Royal Astronomical Society.
