Une simulation virtuelle de 25 milliards de galaxies pour vérifier les lois de la physique

Des chercheurs suisses ont réalisé la plus vaste simulation astrophysique de l’Univers sur supercalculateur, en incorporant à leur modèle la broutille de 25 milliards de galaxies. De quoi répondre d’ici 2020 à des questions fondamentales sur la composition du cosmos.

Faire tenir 25 milliards de galaxies (soit la bagatelle de 3 billions – 3.1012 !- de particules) en une simulation numérique : c’est l’exploit réalisé par une équipe de chercheurs de l’université de Zurich, en Suisse, sur un super-calculateur doté de 5.000 processeurs graphiques (GPU) en parallèle. Au-delà de la prouesse informatique, cette entreprise colossale permettra de mieux comprendre la formation de notre univers et notamment les phénomènes intervenant dans la dynamique de la matière noire et surtout de l’énergie noire, cette entité invisible qui constituerait 68% d’énergie de l’Univers. De ces simulations dépendra le calibrage du satellite Euclid, dont la mission est de comprendre l’origine de l’accélération de l’expansion de l’univers, rien de moins. Leur travail a été publié dans la revue spécialisée Computational Astrophysics and Cosmology.

L’image ci-dessous, extraite de la simulation, représente en fait la distribution spatiale actuelle de matière noire, autrement dit, les creux et les pleins de l’Univers. C’est ce que les spécialistes appellent la « toile d’araignée cosmique » (cosmic web). Son évolution a pu être modélisée à partir de la théorie de la gravitation énoncée par Einstein (la fameuse relativité générale)…. et surtout grâce au rayonnement cosmologique de fond mesuré grâce au satellite Planck, lancé en 2009. « Le rayonnement fossile a fourni les conditions initiales de notre simulation », explique le professeur Romain Teyssier, co-auteur de l’étude.

Toile d'araignée cosmique

Circonvolution cérébrale ? Morceau d’éponge ? Rien de tout cela : cette image a été générée à partir d’une vaste simulation de notre univers réalisée sur un supercalculateur. (Source : J. Stadel/UZH)

« Nous pouvions ainsi prédire, à l’aide des lois de la physique, comment les petites fluctuations perçues par Planck dans les micro-ondes ont évolué pour donner lieu aux amas de galaxies et à la distribution actuelle d’énergie dans l’espace. » Et le tout avec une grande précision, puisque les petites galaxies, souvent absentes de ce type de simulations, sont également prises en compte, « à partir de 10% de la taille de la voie lactée, ce qui correspond approximativement à la taille du Grand nuage de Magellan. »

L’enjeu est aussi de constituer un large catalogue de simulations basées sur différents modèles de la physique. Car aujourd’hui, les physiciens sont obligés d’introduire la constante cosmologique dans les équations d’Einstein pour expliquer l’expansion, sujette à de houleux débats théoriques. »Comme notre simulation repose sur l’hypothèse d’un univers en expansion régi par la loi de la gravitation, nous serons en mesure de détecter la moindre déviation entre celle-ci et les futures mesures d’Euclid », explique le chercheur. D’ici le lancement de la mission en 2020, d’autres modélisations de notre univers seront faites, y compris avec des modèles non-standards s’écartant d’Einstein. » « On espèce vraiment trouver quelque chose qui s’écarte du modèle standard, sinon les physiciens risquent de s’ennuyer un peu », sourit l’astrophysicien.

Univers 380 000 ans après le Big Bang

Image de l’Univers 380 000 ans après le Big Bang, prise par le satellite Planck en 2013 (Source : ESA).

Fait d’arme supplémentaire : la simulation numérique n’a nécessité que 80 heures de calcul sur le super-calculateur suisse « Piz Daint », doté de 5.000 processeurs graphiques (GPUs) fonctionnant en parallèle, grâce à la faible occupation en mémoire du programme réalisé, appelé PKDGRAV3. Or à ce niveau, la moindre imprécision dans le code source peut s’avérer fatale, en faisant exploser les ressources informatiques utilisées. « Il s’est trouvé pour nous un alignement de planètes favorables d’un point de vue technique », poursuit Romain Teyssier. « L’algorithme numérique utilisé pour calculer la gravité, appelé méthode multipolaire rapide (en anglais, fast multipole method), n’avait auparavant jamais été transposée à l’architecture d’un supercalculateur parallèle. En étant les premiers, nous avons pu déployer une force de frappe supplémentaire. »

Avantage supplémentaire, le code a été optimisé pour les processeurs graphiques (GPUs), des microprocesseurs à l’origine développés pour les cartes graphiques. Or le super-calculateur suisse utilisé, « Piz Daint » utilise justement des GPU. « C’est l’industrie du jeu vidéo qui a rendu possible notre simulation astrophysique », ajoute Romain Teyssier. « Evidemment, il existe des supercalculateurs plus puissants ailleurs, comme par exemple aux États-Unis à Oakridge. Nous avons d’ailleurs pu y réaliser un bref essai, incluant cette fois non pas 2, mais 8 billions de particules élémentaires. Nous avons conclu à la faisabilité d’une simulation sur leur machine grâce à notre code. »

La prochaine étape pour le chercheur et son équipe ? « Multiplier les simulations, en montant jusqu’à 10 billions de particules, et en intégrant au modèle de calcul des écarts au modèle standards, comme les neutrinos massifs. » Rendez-vous en 2020 pour les premières confrontations avec les résultats du satellite Euclid.

Source : Sciences & Avenir

Vous pouvez consulter, sur le site d’Archipel des Sciences, l’exposition « Promenade spatiale au fil des ondes« , ainsi que la page Astronomie/Physique.

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