Cette machine a généré des millions d’univers virtuels pour mieux comprendre les galaxies

Parfois, observer l’univers n’est pas suffisant pour le comprendre. Il est délicat de bien saisir le processus d’évolution des galaxies, quand toutes celles que l’on peut étudier sont déjà formées depuis longtemps. Une équipe scientifique de l’Université d’Arizon a utilisé une « machine à univers virtuels » (ou Universe Machine) pour résoudre cette impasse. Ils expliquent leur démarche dans un papier publié le 9 août 2019.

Ce n’est pas la première fois que des simulations informatiques sont utilisées en astronomie, mais elles s’appliquent habituellement à l’échelle d’un astre ou d’une région spécifique de l’Univers. Or, cette machine simule l’histoire d’une partie très large du cosmos en intégrant 12 millions de galaxies. Qui plus est, sa chronologie démarre 400 millions d’années après le Big Bang, époque durant laquelle les toutes premières étoiles seraient nées.

Des millions d'univers ont été générés par la UniverseMachine.

Source : NASA, ESA, and J. Lotz and the HFF Team/STScI

Pour aboutir à une simulation de cette envergure, la première de son genre, les chercheurs n’ont pas pu se contenter de « simples » ordinateurs. Ils ont porté les calculs sur Ocelote, le superordinateur (ou « supercalculateur ») de l’Université d’Arizona. Pendant trois semaines, deux mille processeurs ont fonctionné simultanément à plein régime, en traitant une immense masse de données, pour modéliser pas moins de huit millions d’univers autonomes.

Les simulations contredisent une théorie très admise

Ces millions d’univers créés ex machina répondent chacun à des paramètres différents et à leur propre physique, parfois avec d’infimes variations. Les résultats finaux obtenus changent en fonction des variables et peuvent être mis en relation avec les observations astronomiques de ces dernières décennies. Les univers qui ressemblent le plus au nôtre dans leur forme finale répondent également aux mêmes règles physiques, ce qui assure un minimum de fiabilité à cette approche.

Les conclusions participeront à confirmer ou à infirmer des thèses à l’échelle réelle. « Sur ordinateur, nous pouvons créer de nombreux univers différents et les comparer à celui qui est bien réel, ce qui nous permet de déterminer quelles règles mènent à ce que nous voyons », précise Peter Behroozi, principal auteur de l’étude.

L'amas de galaxies Abell 370, photographié par le téléscope spatial Hubble.

Source : Nasa

Les simulations opérées par cette machine commencent d’ores et déjà à apporter leur lot de remise en question. Les premiers résultats bousculent l’idée que les premières galaxies de l’Univers formaient peu d’étoiles et avec difficulté. Une théorie dominante postule que « plus on remonte aux débuts de l’univers, plus la matière noire est censée être dense et plus le gaz est donc censé être chaud, explique Peter Behroozi. C’est mauvais pour la formation des étoiles, raison pour laquelle on pensait que la plupart des premières galaxies avaient arrêté très tôt de former des étoiles ».

Les chercheurs de l’Université d’Arizona en sont finalement arrivés à la conclusion inverse. Toutes les simulations basées sur cette théorie aboutissaient à un univers qui ne correspondait pas au nôtre, il était bien plus rouge qu’il ne l’est en réalité. En revanche, quand les simulations ne représentaient pas cette théorie — en ne considérant pas que la formation des étoiles s’arrêtait si tôt — alors l’univers collait bien davantage à son aspect actuel. Pour Peter Behroozi, « nous sommes obligés d’en conclure que les galaxies formaient des étoiles bien plus efficacement au début que ce qu’on pensait ».

Dans l’immédiat, ces conclusions doivent malgré tout être tempérées. Les données devront être croisées avec bien d’autres modélisations, calculs et observations. Les chercheurs ont d’ailleurs prévu de complexifier les univers virtuels en incluant par la suite la morphologie individuelle de chaque galaxie référencée et les évolutions de leur forme.