Voir c'est croire, ou c'est ce que dit le proverbe.

Et dans certains cas, un monde imaginaire peut vous aider à réaliser ce que vous voyez réellement, trop.

Les scientifiques créent des univers simulés, par exemple - avec des maquettes de matière noire, galaxies générées par ordinateur, quasi quasars, et pseudo supernovae - pour mieux comprendre les observations du monde réel.

Leur objectif est d'imaginer comment les nouveaux relevés du ciel basés sur la Terre et dans l'espace verront l'univers, et pour aider à analyser et interpréter les vastes trésors de données que ces enquêtes amasseront.

« Nous voulons être en mesure de démarrer dès que nous aurons des données réelles, " a déclaré Stephen Bailey, un physicien du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie qui est le responsable technique et le gestionnaire des systèmes de données pour un projet de cartographie du ciel en 3D connu sous le nom d'instrument spectroscopique d'énergie noire, ou DESI, qui devrait commencer à observer en 2019.

Plusieurs équipes DESI élaborent des simulations distinctes peuplées des nombreux types d'objets que DESI rencontrera. « A quoi cela va-t-il ressembler pour DESI ? » demanda Bailey. "Quel est le spectre réel, ou signature lumineuse, que DESI va observer ? Nous devons nous assurer que les objets fictifs ont les bonnes couleurs et les bonnes abondances chimiques. »

Jean Moustakas, un professeur assistant de physique au Siena College à New York qui travaille également sur les simulations pour DESI, ajoutée, "Et c'est un défi parce que rien de tel que DESI n'existe."

Les modèles informatisés sont informés par des observations d'enquêtes précédentes et par des simulations à grande échelle de l'univers qui tiennent compte de la physique complexe, y compris la matière noire, une forme inconnue de la matière qui, avec l'énergie noire, représente environ 95 pour cent de la masse totale et de l'énergie de l'univers.

« Dans la mesure du possible, les simulations sont basées sur des modèles d'objets réels - en extrayant toutes ces pièces d'autres enquêtes, " dit Moustakas. " Peut-être que dans un monde parfait ce seraient des modèles purement théoriques, mais nous ne comprenons pas assez bien les galaxies pour pouvoir le faire."

Et même s'il existe des données d'enquêtes précédentes, DESI verra le ciel d'une manière différente. "Vous devez extraire toutes les parties instrumentales de tous ces autres relevés pour arriver à :'Voici à quoi ressemblent les autres galaxies, intrinsèquement, '", a-t-il dit. Ensuite, il a dit, les scientifiques doivent comprendre comment l'ensemble unique d'instruments de DESI les verra.

Les objets et univers simulés créés et affinés à l'aide de puissants supercalculateurs, y compris le Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique de Berkeley Lab (NERSC), doit finalement prendre en compte le bruit atmosphérique de la Terre, et les conditions météorologiques et d'éclairage, y compris les phases de la lune, qui affectent toutes les observations.

DESI fonctionnera à partir du télescope de 4 mètres Nicholas U. Mayall à l'observatoire national de Kitt Peak en Arizona. Il mesurera la lumière de dizaines de millions de galaxies et d'autres objets avec un réseau soigneusement chorégraphié de 5, 000 robots pivotants – chacun pointant un câble à fibre optique vers un objet spatial ciblé. Le réseau robotique parcourra une séquence d'objets, scrutant jusqu'à 11 milliards d'années dans l'histoire de notre univers.

La lumière captée par DESI fournira des mesures précises qui aideront les scientifiques à retracer l'évolution de l'univers et à en apprendre davantage sur l'énergie noire, qui est responsable du mystérieux de l'univers, accélération de l'expansion. Berkeley Lab est le laboratoire principal du projet DESI, et la collaboration implique maintenant environ 200 scientifiques dans 40 institutions.

Alex Smith, un étudiant diplômé de l'Université de Durham en Angleterre et membre de la collaboration DESI, a travaillé avec une équipe pour développer un catalogue fictif de galaxies pour DESI qui exploite une puissante simulation de l'évolution de la matière de l'univers au cours des 13 derniers milliards d'années.

Réalisé au Jülich Supercomputer Center en Allemagne, cette simulation Millennium-XXL en a utilisé 12, 000 cœurs d'ordinateur – l'équivalent d'environ 300 ans de temps de traitement informatique. Il a généré environ 100 téraoctets de données, ce qui représente presque autant de données que le télescope spatial Hubble transmis sous forme d'images spatiales au cours de ses 24 premières années de fonctionnement.

Le catalogue fictif de galaxies que l'équipe de Smith a développé s'est concentré sur le même tiers du ciel que DESI étudiera. Le catalogue montre comment le regroupement et le « décalage vers le rouge » des galaxies – la couleur en fonction de leur distance et de leur éloignement de nous – changent au fil du temps et apparaîtront probablement à DESI.

En raison de l'expansion cosmique, les objets très éloignés apparaissent plus rouges et plus pâles. Les catalogues fictifs précédents n'avaient pas pris en compte ces changements de décalage vers le rouge, dit Smith.

"Il est important d'avoir des catalogues fictifs qui ont des propriétés réalistes - qui ressemblent à ce que nous pensons que l'enquête réelle va ressembler, " il ajouta.

L'enquête de son équipe a utilisé une méthode connue sous le nom de distribution d'occupation de halo, ou HOD, modéliser le nombre moyen de galaxies et leur luminosité sur la base des simulations détaillées de la distribution de la matière noire du sondage Millennium-XXL. Dans les modèles de matière noire, la matière se forme dans des amas de matière noire appelés halos, et les galaxies sont enveloppées par ces halos.

Smith a noté que la distribution des galaxies au sein de ces halos, et d'autres propriétés incorporées dans le dernier catalogue, sont tirés des données recueillies lors d'enquêtes antérieures, y compris le Sloan Digital Sky Survey et le Galaxy and Mass Assembly Survey.

Les galaxies du catalogue sont simplifiées à leur éclat, tel qu'il apparaîtra dans l'une des bandes de longueurs d'onde que DESI scrutera. Le catalogue fictif est également destiné à simuler le type de galaxies qui seront ciblées lors de conditions de ciel favorisant les objets plus brillants, tels que ceux qui existent autour des heures de levers et couchers de soleil, ou quand la lune est plus brillante dans le ciel, par exemple. Des simulations séparées prendront en compte des conditions de vision plus sombres.

"Le catalogue fictif que j'ai créé suppose que vous pouvez tout observer avec une précision parfaite, " Smith a noté, des propriétés supplémentaires devront donc être ajoutées pour simuler les conditions météorologiques et d'autres effets. La collaboration DESI a accès à une décennie de statistiques météorologiques collectées à l'observatoire national de Kitt Peak, dit Bailey.

Même après le début de l'enquête de DESI, les scientifiques de la collaboration continueront d'adapter et d'améliorer les modèles.

"Il y a une composante d'apprentissage, " dit Moustakas. " Alors que nous commençons à observer les choses, nous utiliserons ensuite ces objets ciblés pour créer de meilleurs modèles de ce que sont ces objets."

Trop se fier aux simulations peut aussi être un problème, Les scientifiques de DESI ont noté, les observations fourniront donc une vérification de la réalité nécessaire. Par exemple, objets superbes appelés quasars, qui font partie des cibles de DESI, ont été particulièrement difficiles à simuler.

"Vous ne voulez pas trop croire vos simulations, parce que la nature est beaucoup plus dure, ", a déclaré Moustakas.

Bailey a ajouté, "Nous sommes actuellement en train d'amorcer d'autres expériences, puis nous amorcerons nous-mêmes."

Smith a noté que pour se préparer à des enquêtes de plus en plus vastes, il y aura un besoin de modèles plus détaillés et précis pour mieux comprendre la nature de l'énergie noire et de la gravité, par exemple.

"Pour pouvoir faire des mesures cosmologiques avec la haute précision requise pour pouvoir distinguer tous ces modèles viables, c'est vraiment important d'avoir de plus en plus de faux catalogues réalistes, " il a dit.