Comment naissent des galaxies telles que notre Voie lactée ? Comment grandissent-ils et évoluent-ils avec le temps ? La science derrière la formation des galaxies est restée un casse-tête pendant des décennies, mais une équipe de scientifiques dirigée par l'Université de l'Arizona fait un pas de plus vers la recherche de réponses grâce aux simulations de superordinateurs.

Observer de vraies galaxies dans l'espace ne peut fournir que des instantanés dans le temps, les chercheurs qui veulent étudier l'évolution des galaxies sur des milliards d'années doivent donc recourir à des simulations informatiques. Traditionnellement, les astronomes ont utilisé cette approche pour inventer et tester de nouvelles théories de la formation des galaxies, un par un. Pierre Behroozi, professeur assistant à l'observatoire UA Steward, et son équipe ont surmonté cet obstacle en générant des millions d'univers différents sur un supercalculateur, dont chacun obéissait à différentes théories physiques sur la façon dont les galaxies devraient se former.

Les résultats, publié dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society , remettre en question les idées fondamentales sur le rôle de la matière noire dans la formation des galaxies, comment les galaxies évoluent dans le temps et comment elles donnent naissance aux étoiles.

"Sur l'ordinateur, nous pouvons créer de nombreux univers différents et les comparer à l'actuel, et cela nous permet de déduire quelles règles mènent à celle que nous voyons, " dit Behroozi, l'auteur principal de l'étude.

L'étude est la première à créer des univers cohérents qui sont des répliques si exactes de l'univers réel :des simulations informatiques qui représentent chacune une partie importante du cosmos réel, contenant 12 millions de galaxies et couvrant une période allant de 400 millions d'années après le Big Bang à nos jours.

Chaque univers "Ex-Machina" a été soumis à une série de tests pour évaluer comment des galaxies similaires sont apparues dans l'univers généré par rapport au véritable univers. Les univers les plus similaires au nôtre avaient tous des règles physiques sous-jacentes similaires, démontrant une nouvelle approche puissante pour étudier la formation des galaxies.

Les résultats de "UniversMachine, " comme les auteurs appellent leur approche, ont aidé à résoudre le paradoxe de longue date de la raison pour laquelle les galaxies cessent de former de nouvelles étoiles même lorsqu'elles conservent beaucoup d'hydrogène gazeux, la matière première à partir de laquelle les étoiles sont forgées.

Les idées reçues sur la façon dont les galaxies forment les étoiles impliquent une interaction complexe entre le gaz froid s'effondrant sous l'effet de la gravité dans des poches denses donnant naissance à des étoiles, tandis que d'autres processus contrecarrent la formation d'étoiles.

Par exemple, on pense que la plupart des galaxies abritent des trous noirs supermassifs en leur centre. La matière tombant dans ces trous noirs irradie d'énormes énergies, agissant comme des chalumeaux cosmiques qui empêchent le gaz de se refroidir suffisamment pour s'effondrer en pépinières stellaires. De la même manière, les étoiles finissant leur vie dans des explosions de supernova contribuent à ce processus. Matière noire, trop, joue un grand rôle, comme il fournit la majeure partie de la force gravitationnelle agissant sur la matière visible dans une galaxie, en tirant du gaz froid de l'environnement de la galaxie et en le réchauffant au cours du processus.

"Alors que nous remontons de plus en plus tôt dans l'univers, on s'attendrait à ce que la matière noire soit plus dense, et donc le gaz devient de plus en plus chaud. C'est mauvais pour la formation d'étoiles, nous avions donc pensé que de nombreuses galaxies dans l'univers primitif auraient dû cesser de former des étoiles depuis longtemps, " a déclaré Behroozi. "Mais nous avons trouvé le contraire :les galaxies d'une taille donnée étaient plus susceptibles de former des étoiles à un taux plus élevé, contrairement à l'attente."

Afin de faire correspondre les observations de galaxies réelles, Behroozi a expliqué, son équipe a dû créer des univers virtuels dans lesquels c'était le contraire, des univers dans lesquels les galaxies continuaient à produire des étoiles bien plus longtemps.

Si, d'autre part, les chercheurs ont créé des univers basés sur les théories actuelles de la formation des galaxies – des univers dans lesquels les galaxies ont cessé de former des étoiles très tôt – ces galaxies semblaient beaucoup plus rouges que les galaxies que nous voyons dans le ciel.

Les galaxies apparaissent rouges pour deux raisons. Le premier est apparent dans la nature et a à voir avec l'âge d'une galaxie - si elle s'est formée plus tôt dans l'histoire de l'univers, ça va s'éloigner plus vite, déplacer la lumière dans le spectre rouge. Les astronomes appellent cet effet redshift. L'autre raison est intrinsèque :- si une galaxie a cessé de former des étoiles, il contiendra moins d'étoiles bleues, qui meurent généralement plus tôt, et être laissé avec plus vieux, étoiles plus rouges.

"Mais on ne voit pas ça, " a déclaré Behroozi. " Si les galaxies se comportaient comme nous le pensions et arrêtaient de former des étoiles plus tôt, notre univers actuel serait tout faux. En d'autres termes, nous sommes forcés de conclure que les galaxies ont formé des étoiles plus efficacement dans les premiers temps que nous ne le pensions. Et ce que cela nous dit, c'est que l'énergie créée par les trous noirs supermassifs et les étoiles qui explosent est moins efficace pour étouffer la formation d'étoiles que nos théories ne le prévoyaient."

Selon Behroozi, créer des univers fictifs d'une complexité sans précédent a nécessité une approche entièrement nouvelle qui n'était pas limitée par la puissance de calcul et la mémoire, et fourni une résolution suffisante pour couvrir les échelles des "petits" objets individuels tels que les supernovae à une partie importante de l'univers observable.

« Simuler une seule galaxie nécessite 10 à 48 opérations de calcul, " expliqua-t-il. "Tous les ordinateurs de la Terre combinés ne pourraient pas faire cela en cent ans. Donc, pour simuler une seule galaxie, sans parler de 12 millions, nous devions faire les choses différemment."

En plus d'utiliser les ressources informatiques du NASA Ames Research Center et du Leibniz-Rechenzentrum à Garching, Allemagne, l'équipe a utilisé le supercalculateur "Ocelote" du cluster UA High Performance Computing. Deux mille processeurs ont analysé les données simultanément pendant trois semaines. Au cours du projet de recherche, Behroozi et ses collègues ont généré plus de 8 millions d'univers.

"Nous avons pris les 20 dernières années d'observations astronomiques et les avons comparées aux millions d'univers fictifs que nous avons générés, " a expliqué Behroozi. " Nous avons rassemblé des milliers d'informations pour voir lesquelles correspondaient. L'univers que nous avons créé avait-il l'air correct ? Si non, nous reviendrions et ferions des modifications, et vérifiez à nouveau."

Pour mieux comprendre comment les galaxies sont nées, Behroozi et ses collègues prévoient d'étendre la UniverseMachine pour inclure la morphologie des galaxies individuelles et comment leurs formes évoluent au fil du temps.