En comprenant les étoiles et leurs origines, nous en apprenons plus sur d'où nous venons. Cependant, l'immensité de la galaxie - sans parler de l'univers entier - signifie que les expériences pour comprendre ses origines sont coûteuses, difficile et chronophage. En réalité, les expériences sont impossibles pour étudier certains aspects de l'astrophysique, ce qui signifie que pour mieux comprendre comment les galaxies se sont formées, les chercheurs s'appuient sur le calcul intensif.

Dans une tentative de développer une image plus complète de la formation des galaxies, chercheurs de l'Institut d'études théoriques de Heidelberg, les Instituts Max-Planck d'Astrophysique et d'Astronomie, le Massachusetts Institute of Technology, Université de Harvard, et le Center for Computational Astrophysics de New York se sont tournés vers les ressources de calcul intensif du High-Performance Computing Center de Stuttgart (HLRS), l'une des trois installations de supercalcul allemandes de classe mondiale qui composent le Gauss Center for Supercomputing (GCS). La simulation résultante aidera à vérifier et à étendre les connaissances expérimentales existantes sur les premiers stades de l'univers.

Récemment, l'équipe a développé sa simulation "Illustris" record de 2015, la plus grande simulation hydrologique jamais réalisée de la formation de galaxies. Les simulations hydrodynamiques permettent aux chercheurs de simuler avec précision le mouvement du gaz. Les étoiles se forment à partir du gaz cosmique, et la lumière des étoiles fournit aux astrophysiciens et aux cosmologues des informations importantes pour comprendre le fonctionnement de l'univers.

Les chercheurs ont amélioré la portée et la précision de leur simulation, nommant cette phase du projet Illustris :The Next Generation (IllustrisTNG). L'équipe a publié sa première série de résultats dans trois articles de revues publiés dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society et préparent plusieurs autres pour publication.

Modélisation magnétique

Tout comme l'humanité ne peut pas imaginer exactement comment l'univers est né, une simulation informatique ne peut pas recréer la naissance de l'univers au sens littéral. Au lieu, les chercheurs introduisent des équations et d'autres conditions de départ - des observations provenant de réseaux de satellites et d'autres sources - dans un gigantesque cube de calcul représentant une grande partie de l'univers, puis utilisent des méthodes numériques pour mettre en mouvement cet « univers dans une boîte ».

Pour de nombreux aspects de la simulation, les chercheurs peuvent commencer leurs calculs à un niveau fondamental, ou ab initio, niveau sans besoin de données d'entrée préconçues, mais des processus moins bien compris, tels que la formation d'étoiles et la croissance de trous noirs supermassifs, doivent être éclairés par l'observation et par des hypothèses qui peuvent simplifier le déluge de calculs.

Au fur et à mesure que la puissance de calcul et le savoir-faire ont augmenté, donc, trop, a la capacité de simuler de plus grandes zones de l'espace et des phénomènes de plus en plus complexes et complexes liés à la formation des galaxies. Avec IllustrisTNG, l'équipe a simulé trois "tranches" d'univers à différentes résolutions. Le plus grand mesurait 300 mégaparsecs, soit environ 1 milliard d'années-lumière. L'équipe a utilisé 24, 000 cœurs sur Hazel Hen sur une période de 35 millions d'heures de cœur.

Dans l'une des avancées majeures d'IllustrisTNG, les chercheurs ont retravaillé la simulation pour inclure une comptabilisation plus précise des champs magnétiques, améliorer la précision de la simulation. "Les champs magnétiques sont intéressants pour diverses raisons, " a déclaré le professeur Dr Volker Springel, professeur et chercheur à l'Institut d'études théoriques de Heidelberg et chercheur principal du projet. "La pression magnétique exercée sur le gaz cosmique peut parfois être égale à la pression thermique (température), ce qui signifie que si vous négligez cela, vous passerez à côté de ces effets et finirez par compromettre vos résultats."

En développant IllustrisTNG, l'équipe a également fait une avancée surprenante dans la compréhension de la physique des trous noirs. Basé sur des connaissances d'observation, les chercheurs savaient que les trous noirs supermassifs propulsent des gaz cosmiques avec beaucoup d'énergie tout en "soufflant" ce gaz loin des amas de galaxies. Cela aide à "arrêter" la formation d'étoiles dans les plus grandes galaxies et impose ainsi une limite à la taille maximale qu'elles peuvent atteindre.

Dans la simulation précédente d'Illustris, les chercheurs ont remarqué que tandis que les trous noirs passent par ce processus de transfert d'énergie, ils n'arrêteraient pas complètement la formation d'étoiles. En révisant la physique des trous noirs dans la simulation, l'équipe a constaté une bien meilleure concordance entre les données et l'observation, donner aux chercheurs une plus grande confiance que leur simulation correspond à la réalité.

Une alliance de longue date

L'équipe utilise les ressources GCS depuis 2015 et exécute la simulation IllustrisTNG sur les ressources HLRS depuis mars 2016. Considérant que l'ensemble de données d'IllustrisTNG est à la fois plus volumineux et plus précis que l'original, les chercheurs sont convaincus que leurs données seront largement utilisées pendant qu'ils demandent plus de temps pour continuer à affiner la simulation. La version originale des données d'Illustris a recueilli 2, 000 utilisateurs enregistrés et a donné lieu à plus de 130 publications.

Pendant ce temps, les chercheurs se sont appuyés sur le personnel d'assistance de GCS pour résoudre plusieurs problèmes de bas niveau liés à leur code, spécifiquement liés aux pannes de mémoire et aux problèmes de système de fichiers. Les membres de l'équipe Drs. Dylan Nelson et Rainer Weinberger ont également tous deux bénéficié de la participation aux ateliers de mise à l'échelle au niveau des machines de 2016 et 2017 à HLRS. La collaboration de longue date de l'équipe avec HLRS a permis de remporter les prix Golden Spike 2016 et 2017, qui sont remis aux projets d'utilisateurs exceptionnels lors de l'atelier annuel sur les résultats et l'examen de HLRS.

Nelson a souligné que si les superordinateurs de la génération actuelle ont permis des simulations qui ont largement surmonté la plupart des problèmes fondamentaux liés à la modélisation cosmologique à grande échelle, il y a encore des possibilités d'amélioration.

"L'augmentation des ressources de mémoire et de traitement dans les systèmes de nouvelle génération nous permettra de simuler de grands volumes de l'univers avec une résolution plus élevée, " a déclaré Nelson. " Les gros volumes sont importants pour la cosmologie, comprendre la structure à grande échelle de l'univers, et faire des prédictions fermes pour la prochaine génération de grands projets d'observation. La haute résolution est importante pour améliorer nos modèles physiques des processus en cours à l'intérieur des galaxies individuelles dans notre simulation."