TNG50 est la simulation cosmologique à grande échelle la plus détaillée jamais obtenue par des astronomes. Elle leur permet d’étudier la formation des galaxies et leur évolution depuis le Big Bang. Elle révèle notamment la géométrie des gaz qui circulent autour des galaxies et comment ils influencent la structure desdites galaxies. Et vice versa.
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La simulation numérique est un outil indispensable aux astronomesastronomes. Pour ceux qui s'intéressent à la cosmologie et cherchent à élucider l'origine, la nature, la structure et l'évolution de notre univers, elle a tout de même ses limites. Des simulations détaillées peuvent être obtenues sur des volumes d'univers limités rendant les déductions statistiques aléatoires. Les simulations sur de grands volumes manquent quant à elles de précisions fines.
“Lorsque vous en tirez plus que ce que vous avez injecté, c'est un succès.”
Mais pour la première fois, une simulation baptisée TNG50 et lancée par des chercheurs du Max Planck Institute (Allemagne) notamment, associe la grande échelle à un niveau de détail permettant d'accéder à l'étude de galaxies individuelles. TNG50 simule en effet un cube d'espace de plus de 230 millions d'années-lumière dans lequel il est possible de discerner des phénomènes un million de fois plus petits. De quoi retracer l'évolution simultanée de milliers de galaxies au cours des 13,8 milliards d'années de l'histoire de notre univers.
Cette vidéo montre la formation et l’évolution d’une galaxie semblable à la galaxie d’Andromède selon la simulation TNG50. Après un début turbulent, la galaxie peut s’installer dans un état d’équilibre. © D. Nelson, the illustris TNG team
Et les premiers résultats révèlent des phénomènes inattendus. « Les expériences numériquesnumériques de ce genre sont considérées comme des succès lorsque vous en tirez plus que ce que vous y avez injecté. Dans notre simulation, nous constatons des phénomènes qui n'avaient pas été programmés explicitement. Ces phénomènes émergentémergent de manière naturelle, de l'interaction complexe des ingrédients physiquesphysiques de base de notre univers modèle », explique Dylan Nelson, chercheur au Max PlanckMax Planck Institute de Garching.
Des carrousels et des fontaines galactiques
Parmi les découvertes des astronomes, un mécanisme à l'origine de la formation des galaxies à disque telles que notre Voie lactée. En utilisant TNG50 comme une sorte de machine à remonter le temps cosmique, les chercheurs ont en effet pu assister à la manière dont un nuagenuage de gazgaz à l'origine chaotique, désordonné et extrêmement turbulent pouvait se transformer en une structure ordonnée et en rotation rapide. Alors que l'environnement devient plus posé, les nouvelles étoilesétoiles se placent sur des orbitesorbites de plus en plus circulaires, menant éventuellement à la formation de grandes galaxies spiralesgalaxies spirales, des sortes de carrousels galactiques comme les appellent les chercheurs.
Les astronomes ont aussi découvert des écoulements de gaz s'échappant des galaxies. Le résultat d'explosions de supernova et de l'activité de trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs. Au départ, ces flux de gaz sont chaotiques et partent dans toutes les directions. Avec le temps, ils se concentrent sur les trajectoires de moindre résistancerésistance. Et finissent orientés suivant deux volumes coniques opposés.
Ces ventsvents ralentissent lorsqu'ils tentent d'échapper au puits gravitationnel créé par le halo de matière noirematière noire. Il peut même arriver qu'ils retombent vers la galaxie, comme une sorte de gigantesque fontaine de gaz. De quoi redistribuer le gaz, du centre de la galaxie à sa périphérie, et accélérer la transformation de la galaxie en un disque mince.
Des millions d’univers virtuels pour comprendre l'évolution des galaxies
Des chercheurs ont donné naissance à des millions d'univers virtuelsunivers virtuels. Avec pour objectif de comparer ces simulations informatiquessimulations informatiques à l'Univers dans lequel nous vivons aujourd'hui. Ils en tirent des conclusions étonnantes sur la formation des étoiles et sur l'évolution des galaxies.
Article de Nathalie MayerNathalie Mayer paru le 17/08/2019
Pour étudier l'évolution des galaxies au cours du temps, les astronomes ont recours à la simulation informatique. Traditionnellement, ils testent ainsi leurs théories une à une. Mais des chercheurs de l'université de l’Arizona (États-Unis) ont choisi une stratégie différente. À l'aide d'un supercalculateursupercalculateur, ils ont généré des millions d'univers différents. Objectif : tester différentes théories physiques d'évolution des galaxies.
Deux mille processeurs pour traiter les données des astronomes simultanément pendant trois semaines. Huit millions d'univers virtuels créés. Et des comparaisons avec les vingt dernières années d'observations astronomiques. Tout cela pour arriver à des conclusions qui remettent en cause le rôle de la matière noire dans la formation des galaxies, l'évolution de ces dernières et la manière dont elles donnent naissance aux étoiles.
Selon les chercheurs, c'est la première fois que des simulations informatiques parviennent à produire des univers aussi semblables au nôtre. Chacune contenant quelque 12 millions de galaxies et couvrant une période allant de 400 millions d'années après le Big BangBig Bang jusqu'à nos jours. Et présentant toutes des règles physiques sous-jacentes similaires à celle que nous connaissons. Une preuve de la puissance de cette approche.
Des galaxies plus prolifiques que prévu
« Nous pensions que beaucoup de galaxies avaient cessé de former des étoiles il y a longtemps déjà », raconte Peter Behroozi, astronome à l'université de l'Arizona. Mais les univers virtuels créés par son équipe, et qui correspondent à l'univers observé aujourd'hui, montrent que les galaxies continuent à produire des étoiles beaucoup plus longtemps que le pensaient les astronomes. Les simulations basées sur les modèles actuels, en revanche, donnent des galaxies beaucoup plus rouges - car une galaxie qui a cessé de former des étoiles depuis longtemps contient moins d'étoiles bleues - que celles que les chercheurs peuvent observer dans le ciel.
“Les galaxies ont formé des étoiles plus efficacement que nous le pensions”
« Force est de constater que par le passé, les galaxies ont formé des étoiles plus efficacement que nous le pensions, conclut l'astronome. Et en conséquence, l'énergieénergie libérée par les trous noirs supermassifs et par les étoiles qui explosent doit en revanche être moins efficace à bloquer le processus de formation des étoiles que nos théories le prédisent. »
Pour éclairer désormais d'un jour nouveau la formation des galaxies, les astronomes envisagent d'étendre leurs simulations. Ils souhaitent y inclure la morphologiemorphologie des galaxies et quelques données sur l'évolution de cette morphologie au fil du temps.
Ce qu’il faut
retenir
- TNG50 est la simulation cosmologique à grande échelle la plus détaillée jamais obtenue.
- Elle a permis aux astronomes d’observer des phénomènes inattendus.
- Des phénomènes faisant penser à des carrousels et à des fontaines cosmiques.
