Des chercheurs de l'Université de Zurich ont simulé la formation de tout notre univers avec un grand superordinateur. Un gigantesque catalogue d'environ 25 milliards de galaxies virtuelles a été généré à partir de 2 000 milliards de particules numériques. Ce catalogue sert à calibrer les expériences à bord du satellite Euclid, qui sera lancé en 2020 dans le but d'étudier la nature de la matière noire et de l'énergie noire.

Sur une période de trois ans, un groupe d'astrophysiciens de l'Université de Zurich a développé et optimisé un code révolutionnaire pour décrire avec une précision sans précédent la dynamique de la matière noire et la formation de structures à grande échelle dans l'univers. Comme Joachim Stadel, Douglas Potter et Romain Teyssier rapportent dans leur article récemment publié, le code (appelé PKDGRAV3) a été conçu pour utiliser de manière optimale la mémoire disponible et la puissance de traitement des architectures modernes de calcul intensif, comme le supercalculateur « Piz Daint » du Centre national de calcul suisse (CSCS). Le code a été exécuté sur cette machine leader mondial pendant seulement 80 heures, et généré un univers virtuel de deux mille milliards (c'est-à-dire, deux mille milliards ou 2 x 1012) macro-particules représentant la matière noire fluide, duquel a été extrait un catalogue de 25 milliards de galaxies virtuelles.

Étudier la composition de l'univers sombre

Grâce à la haute précision de leur calcul, mettant en scène un fluide de matière noire évoluant sous sa propre gravité, les chercheurs ont simulé la formation de petites concentrations de matière, appelé halos de matière noire, dans laquelle nous croyons que des galaxies comme la Voie Lactée se forment. Le défi de cette simulation était de modéliser des galaxies aussi petites qu'un dixième de la Voie lactée, dans un volume aussi grand que l'ensemble de notre univers observable. C'était l'exigence posée par la mission européenne Euclide, dont l'objectif principal est d'explorer le côté obscur de l'univers.

Mesurer les distorsions subtiles

En effet, environ 95 pour cent de l'univers est sombre. Le cosmos est constitué de 23 % de matière noire et de 72 % d'énergie noire. "La nature de l'énergie noire reste l'une des principales énigmes non résolues de la science moderne, " dit Romain Teyssier, Professeur d'astrophysique numérique à l'UZH. Un casse-tête qui ne peut être résolu que par l'observation indirecte :lorsque le satellite Euclid captera la lumière de milliards de galaxies dans de vastes zones du ciel, les astronomes mesureront des distorsions très subtiles qui résultent de la déviation de la lumière de ces galaxies d'arrière-plan par un premier plan, répartition invisible de la masse – matière noire. "C'est comparable à la distorsion de la lumière par une vitre quelque peu inégale, " déclare Joachim Stadel de l'Institut des sciences informatiques de l'UZH.

Optimiser les stratégies d'observation du satellite

Ce nouveau catalogue de galaxies virtuelles permettra d'optimiser la stratégie d'observation de l'expérience Euclid et de minimiser diverses sources d'erreur, avant que le satellite ne se lance dans sa mission de collecte de données de six ans en 2020. "Euclid réalisera une carte tomographique de notre univers, remontant dans le temps plus de 10 milliards d'années d'évolution du cosmos, " dit Stadel. D'après les données d'Euclide, les chercheurs obtiendront de nouvelles informations sur la nature de cette mystérieuse énergie noire, mais aussi espérer découvrir une nouvelle physique au-delà du modèle standard, comme une version modifiée de la relativité générale ou un nouveau type de particule.