Elle s’appelle Lumina et c’est la plus grande simulation jamais créée, en termes de résolution et de volume simulé sur le supercalculateur. Le projet reconstitue l’évolution des galaxies, des étoiles et des gaz cosmiques au cours des deux premiers milliards d’années de la vie de l’univers.
Il a été fait la plus grande simulation du premier deux milliards de vie de l’Univers : Lumina comprend un énorme volume d’universd’un côté d’env. 1,6 milliards d’années-lumière. La simulation commence à partir d’environ 45 millions d’années après le Big Bangsuivant l’évolution des structures cosmiques jusqu’à ce que l’univers ne soit guère plus que deux milliards d’années.
Le projet a été développé par un groupe international de chercheurs en utilisant le calcul de supercalculateurs Frontière, au Oak Ridge National Laboratory aux États-Unis, l’un des plus puissant ordinateurs existants sur Terre capables de gérer des calculs complexes tels que des simulations cosmologiques.
La combinaison d’un grand volume de simulation, de haute résolution numérique (c’est-à-dire combien d’éléments sont simulés) e l’inclusion de l’interaction entre la matière et le rayonnement vous permet de reconstruire avec plus de réalisme à la fois la formation de galaxies individuelles et les processus qui ont transformé le gaz intergalactique (c’est-à-dire le plasma de gaz chaud répandu entre les galaxies et les amas de galaxies) à des échelles cosmologiques.
La particularité de Lumina est qu’il permet de suivre simultanément la formation des premières galaxies Et l’évolution de l’interaction de la matière et du rayonnement, couplé à deux événements majeurs de l’histoire cosmique, appelés réionisation d’hydrogène et d’hélium (le ionisation c’est un phénomène chimique qui prive l’atome de tous ses électrons, ce qui en fait un ionc’est-à-dire un noyau chargé positivement).
Ces deux processus ont profondément modifié la propriétés du gaz intergalactique et les conditions dans lesquelles les structures cosmiques ont évolué et changé répartition de la matière. Lumina a été créée précisément pour étudier en profondeur les deux événements de réionisation cosmologique.
L’un des résultats les plus importants ressort distinction entre les mécanismes qu’ils ont conduit les deux réionisations. Le rayonnement des premières étoiles et galaxies a joué le rôle principal dans la réionisation de l’hydrogène, tandis que celui des trous noirs supermassifs actifs (c’est-à-dire les trous noirs au centre des galaxies) a entraîné la réionisation ultérieure de l’hélium.
La plus grande simulation en termes de volume et de résolution
Lumina simule environ 432 milliards d’éléments numériquesdivisé en environ 216 milliards de cellules à gaz Et 216 milliards de particules de matière noire, comme on le voit dans la vidéo ci-dessous. Les cellules à gaz décrivent la distribution et les propriétés du gaz intergalactique tandis que les particules de matière noire représentent numériquement la masse de ce composant dont la gravité contribue énormément à la formation des structures cosmiques.
D’autres simulations similaires comme Thésane Et ASTRIDutilisez moins d’éléments et simulez des volumes d’espace plus petits. De plus, Lumina simule également l’interaction entre la matière et le rayonnement, facteur central pour comprendre les processus aux époques des deux réionisations.
Chaque élément simulé représente une très grande quantité de matière. Là masse associé à un pile à gaz c’est effectivement environ 3,6 millions de fois celle du Soleil tandis que celui d’un particule de matière noire il s’agit de 19 millions de masses solaires.
Le nombre d’éléments détermine donc, avec les dimensions du volume simulé, le niveau de détail avec lequel il est possible de reconstruire l’univers. Plus d’éléments sont simulés et plus c’est efficace pour représenter des structures plus petites et de mieux suivre son évolution.
Le défi consiste donc à combiner un grand volume cosmique avec une haute résolution pour pouvoir représenter correctement les galaxies individuelles et les interactions entre rayonnement et matière.
L’univers primordial après le Big Bang et la réionisation
Comprendre quand et comment cela se produit réionisation moyens reconstituer l’époque où les premières sources lumineuses se sont allumées (c’est-à-dire des étoiles en grande partie primordiales) et comment elles ont modifié le gaz environnant, influençant les conditions dans lesquelles les structures cosmiques à grande échelle telles que les amas de galaxies ont évolué.
Dans les premières minutes après le grand coup c’est arrivé là nucléosynthèse primordialec’est-à-dire l’ensemble des réactions nucléaires de l’univers primordial qui ont produit avant tout noyaux d’hydrogène et d’hélium(ainsi que de petites quantités de deutérium et de lithium). Les électrons ne se sont liés aux noyaux que plus tard, formant atomes neutres environ 380 000 ans plus tardlorsque l’univers s’est suffisamment refroidi et est devenu transparent à la lumière. Dans une phase ultérieure, l’univers est entré dans ce qu’on appelle âges sombresou quand encore il n’y avait pas d’étoiles capables de produire des photons.
Avec la formation des premières étoiles, un rayonnement ultraviolet a été produit et a commencé à se propager. dépouiller les électrons à atomes d’hydrogène neutres les transformant en ions positifs. C’est le premier événement du processus appelé réionisation, c’est-à-dire la transformation d’atomes neutres en particules chargées par rayonnement.
Lumina montre que le la réionisation ne s’est pas produite partout en même temps. Des bulles de gaz ionisé se sont formées autour des galaxies les plus massives et ont continué à croître jusqu’à leur fusion. Les régions moins denses et plus éloignées des sources lumineuses restent neutres plus longtemps. Dans la dernière partie du processus, les étoiles des galaxies ont continué à fournir la majorité des photons ionisants.
C’est exactement ça répartition irrégulière des bulles pour expliquer pourquoi c’est important de simuler un volume aussi important. Une région limitée peut contenir peu de galaxies brillantes, ou peut ne pas représenter de manière adéquate les grandes zones vides où l’hydrogène est resté neutre le plus longtemps. On risquerait ainsi de reconstruire une simulation peu représentative de la véritable évolution de l’univers. Lumina permet donc de comparer différents environnements cosmiques et d’évaluer comment la répartition des sources influence la vitesse et la géométrie de la réionisation.
Le rôle des trous noirs supermassifs dans la seconde réionisation
Après la réionisation de l’hydrogène, l’univers a traversé une deuxième transformation liée à l’hélium. Cependant, pour retirer les deux électrons de l’atome d’hélium et le rendre ionisé, ils sont nécessaires beaucoup plus de photons énergie que nécessaire ioniser l’hydrogène. Les sources les plus efficaces sont moi noyaux galactiques actifs des galaxies (appelé en anglais AGN, Noyau Galactique Actif) dont les sources lumineuses sont alimentées par du gaz tombant vers trous noirs supermassifs.
La simulation Lumina inclut également cette deuxième ionisation de l’hélium du début jusqu’aux étapes finales. Le modèle relie ainsi l’apparition et la distribution des noyaux galactiques actifs à la croissance de régions dans lesquelles l’hélium est entièrement ionisé.
L’étude de cette réionisation est importante car lorsqu’un atome absorbe un photon suffisamment énergétique, une partie de l’énergie transférée contribue à chauffer les particules environnantes. La réionisation de l’hélium détermine donc une nouvelle phase d’échauffement du milieu intergalactique postérieure à celle associée à la réionisation de l’hydrogène.
Suivre les deux réionisations dans le même modèle permet donc de reconstruire plus précisément une histoire thermique plus complète de l’univers primitif.
Lumina permet d’affiner les modèles d’évolution cosmologique
La simulation Lumina n’a pas été spécifiquement conçue pour réestimer les paramètres cosmologiques fondamentaux (tels que la Constante de Hubble) comme le font d’autres modèles similaires, mais son véritable objectif est reconstruire de la meilleure façon réaliste possible l’évolution des structures cosmiques au cours d’une période spécifique des débuts de l’histoire de l’univers e vérifier si je processus modélisés ils sont compatible avec des observations.
Les chercheurs ont ensuite vérifié divers résultats de Lumina par rapport aux contraintes d’observation déjà disponibles (c’est-à-dire à partir de l’ensemble des observations de structures cosmiques disponibles réalisées avec les données astronomiques actuelles) en obtenant un bonne concordance avec des mesures du rayonnement de fond cosmique (c’est-à-dire le rayonnement électromagnétique résiduel émis par le Big Bang qui remplit de manière homogène l’univers entier) et avec estimations de la température du gaz intergalactique.
Une autre comparaison concerne la population de noyaux galactiques actifs simulés avec celles réellement observées. Les auteurs ont examiné la répartition de leur luminosité et l’ont comparée aux catalogues astronomiques et aux observations récentes. Ces comparaisons sont importantes car la quantité et la distribution des quasars déterminent la quantité de rayonnement énergétique produit et la rapidité avec laquelle se déroule la réionisation de l’hélium, permettant ainsi de comparer, grâce à diverses simulations, les modèles qui représentent le mieux les données d’observation.