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Formation de l’Univers: le grand calcul

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De Newton à Einstein, de la théorie de la gravitation à la théorie de la relativité générale, l'univers est décrit avec une précision croissante par les astrophysiciens.
Grâce aux nouveaux instruments de mesure terrestres et spatiaux nous disposons aujourd’hui d’une cartographie très précise de l’univers observable proche.
 
A l’origine l’univers était homogène, la matière y était distribuée, un peu comme un immense brouillard de particules indifférenciées. Aujourd’hui il contient des objets aux formes définies, tels que les galaxies, dans lesquelles vont se former étoiles et planètes. Mais comment et pourquoi est-on passé de l’uniformité d’origine à l’univers organisé en structures d’aujourd’hui ?
 
A l’observatoire de Meudon, Jean-Michel Alimi et son équipe tentent de mieux comprendre le processus de formation de l’univers et le moteur de l’expansion cosmique à travers le projet DEUS (Dark Energy Universe Simulation) Full Universe. Pour la première fois au monde des chercheurs vont calculer la façon dont la matière a évolué dans la totalité de l’univers observable depuis le big bang jusqu’à aujourd’hui.
 
Toutes les observations qui ont été faites jusqu’à ce jour ont permis d’établir le contenu matériel et énergétique de l’univers. La matière ordinaire, visible, celle qui nous constitue et qui constitue les planètes et les galaxies ne représente que 4% de l’énergie de l’univers.
En observant le mouvement des étoiles aux bords des galaxies les scientifiques en ont déduit l’existence d’une autre matière, invisible, détectable seulement à travers ses effets gravitationnels : la matière noire. Elle engloberait les structures cosmiques comme les galaxies en les supportant et représente environ 20% de l’énergie de l’univers.
 
Mais il y a encore plus mystérieux.
Nous savons que l’univers est en expansion. Deux points pris dans l’espace s’éloignent l’un de l’autre au cours du temps, comme le confirme l’observation du mouvement de fuite des galaxies.
 
Il y aurait donc, en plus de la matière visible et de la matière noire, une autre composante dans l’univers, nécessaire pour en expliquer l’expansion accélérée : l’énergie noire. Représentant plus de 75% de l’énergie de l’univers, elle agirait comme une sorte de fluide à pression négative qui contraint l’univers à se dilater.
 
Cette énergie noire constitue le mystère de la cosmologie moderne et au delà du fondement des lois de la physique.
Pour tenter d’en déterminer la nature, il faudrait comprendre son rôle dans la structuration de l’univers. Mais cela exige des calculs qui vont bien au delà de tous ceux réalisés jusqu’à présent. Il ne s’agit plus de modéliser une simple fraction de notre univers, mais l’univers observable dans son intégralité.
 
A l’origine, tout proche du big bang, la matière est répartie dans l’espace de façon uniforme et homogène. On ne distingue aucune structure. Puis au fil du temps elle va se concentrer pour former des objets qui donneront naissance aux galaxies, amas de galaxies et à toutes les structures cosmiques que l’on observe aujourd’hui.
 
Le défi pour l’équipe de Jean-Michel Alimi, est de suivre cette structuration tout au long de l’histoire de l’univers et ainsi d’être capable de reproduire avec une précision inégalée l'évolution de toute la matière au sein de l’univers observable.
 
Les chercheurs ont fixé les conditions initiales à leur calcul de façon à être en parfait accord avec l’image la plus proche du brouillard primitif que nous possédons. Celle formée par les tout premiers photons émis juste après le Big Bang. C’est ce que l’on appelle le rayonnement cosmologique primordial.
 
La formation des structures cosmiques est alors simulée en suivant l’évolution de particules de matière noire, plus présente que la matière ordinaire. Avec 550 milliards de particules, chaque particule ayant la masse de notre galaxie, le modèle représente l'univers observable dans sa totalité.
 
Selon la nature de l’énergie noire le processus de structuration va se dérouler de façon différente.
Les chercheurs ont donc choisi de répéter leur calcul pour trois modèles d’énergie noire différents chacun devant structurer l’Univers d’une façon caractéristique.
Pour mener à bien des calculs aussi gigantesques, les scientifiques ont fait appel à l’un des plus grands ordinateurs du monde, le supercalculateur Curie.
 
Ce calcul nécessitera plus de 300 heures de calcul sur les 80000 cœurs du surpercalculateur Curie soit l’équivalent de près de 3000 années si le calcul était réalisé sur un seul cœur.
Les données générées représenteront plus de 150 Po dont ne seront conservés après un processus de sélection très élaboré et absolument nécessaire qu’environ 2 Po soit près de 400000 DVD.
 
Après des semaines de calculs et d’interprétation, l’évolution de tout l’univers observable apparaît enfin pour le premier modèle. Les autres suivront quelques mois plus tard.
Réparties de façon homogène au début de la simulation, les particules-galaxies, sous l'action des forces attractives de la gravitation et répulsives de l'énergie noire, voient leur distribution se modifier et des structures apparaissent, des amas de galaxies, des super-amas, des filaments…
 
Il est maintenant possible de comparer entre elles les structures résultant des 3 simulations et de les confronter aux structures de l’Univers réel.
Les chercheurs affineront ainsi leur modèle d’énergie noire et parviendront peut-être à en percer les mystères.

 

Formation de l’Univers: le grand calcul

10.01.2014

Pour la première fois au monde, des chercheurs ont calculé la façon dont la matière a évolué dans la totalité de l’univers observable depuis le Big Bang jusqu’à aujourd’hui. Pour mener à bien des calculs aussi gigantesques, ils ont fait appel à l’un des plus grands ordinateurs du monde, le supercalculateur Curie. Le but des scientifiques du projet DEUS Full Universe : mieux comprendre la formation des structures cosmiques et le moteur de l'expansion accélérée de l'univers.

À propos de cette vidéo
Titre original :
Formation de l'univers : le grand calcul
Année de production :
2013
Durée :
09:14
Réalisateur :
Luc Ronat
Producteur :
CNRS Images
Intervenant(s) :
Jean-Michel Alimi (CNRS) - Laboratoire de l'univers et de ses théories (LUTH - CNRS / Observatoire de Paris / Université Paris Diderot), Meudon
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