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La matière visible ne constitue que 16 % de la masse totale de l'univers. On sait peu de choses sur la nature du reste de cette masse, qui se réfère à la matière noire. Plus surprenant encore est le fait que la masse totale de l'univers ne représente que 30% de son énergie. Le reste est de l'énergie noire, totalement inconnue mais responsable de l'expansion accélérée de l'univers.
Pour en savoir plus sur la matière noire et l'énergie noire, les astrophysiciens utilisent des relevés à grande échelle de l'univers ou des études détaillées des propriétés des galaxies. Mais ils ne peuvent interpréter leurs observations qu'en les comparant aux prédictions des modèles théoriques de la matière noire et de l'énergie noire. Mais ces simulations prennent des dizaines de millions d'heures de calcul sur des supercalculateurs.
La collaboration Extrême-Horizon a pu simuler l'évolution des structures cosmiques des premiers instants après le Big Bang à nos jours, sur le supercalculateur Joliot-Curie, qui offre une puissance de calcul de 22 pétaflops (22 x 10 15 nombre d'opérations en virgule flottante par seconde). Le volume de données numériques traitées a dépassé 3 To (10 12 octets) à chaque étape du calcul, justifiant l'utilisation de nouvelles techniques d'écriture (code RAMSES avec raffinement adaptatif de maillage) et de lecture des données de simulation.
Cosmologie :corriger les données de la forêt Lyman-α
Le premier résultat de la simulation concerne l'interprétation des grandes structures de l'univers lointain :les nuages d'hydrogène intergalactiques. Les astrophysiciens les détectent en mesurant l'absorption de la lumière des quasars, qui sont extrêmement lumineux en raison de la présence d'un trou noir supermassif qui attire la matière dans son disque d'accrétion. Chacun des nuages le long de la ligne de visée produit une raie d'absorption (Lyman-α) avec un décalage vers le rouge spécifique, en raison de l'expansion de l'univers. Toutes ces lignes forment une forêt dense, révélant la distribution unidimensionnelle des nuages d'hydrogène, et donc de la matière, à des distances comprises entre 10 et 12 milliards d'années-lumière (ly).
Cependant, de nombreux trous noirs entre ces quasars et nous expulsent une quantité considérable d'énergie dans le milieu intergalactique, changer son état thermique et les propriétés de la forêt Lyman-α. Le modèle physique utilisé dans la simulation Extrême-Horizon décrit en détail ce retour d'expérience, ce qui fausse les estimations des paramètres cosmologiques de plusieurs pour cent. Le facteur de correction calculé sera vital, notamment pour l'expérience DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) en construction en Arizona (U.S.), car le biais peut dépasser 5%, alors que la précision de la cible est de 1%.
Des galaxies massives ultra-compactes formées comme une ruche
La haute résolution de la simulation Extreme-Horizon dans les régions à faible densité a permis de décrire l'accrétion de gaz froid par les galaxies et la formation de galaxies massives ultra-compactes alors que l'univers n'avait que 2 à 3 milliards d'années. Ces galaxies atypiques, récemment observé avec le radiotélescope Alma (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) au Chili, sont formés par le regroupement rapide de nombreuses très petites galaxies. Il n'a été possible d'identifier cette méthode de croissance « en ruche » qu'en raison de la résolution exceptionnelle d'Extreme-Horizon.
Grand défi sur le supercalculateur Joliot-Curie
Conçu par la société Atos pour GENCI (le centre français de calcul haute performance), le supercalculateur Joliot-Curie, basé sur l'architecture BullSequana d'Atos, atteint une puissance de calcul maximale de 22 pétaflops en 2020.
Les Grands Challenges sont des simulations et calculs exceptionnels réalisés durant la période Grand Challenge qui suit l'installation d'une nouvelle partition informatique. Cette période de trois mois offre une opportunité unique à un petit nombre d'utilisateurs d'accéder à une grande partie des ressources de la machine. Ils bénéficient du soutien des équipes du TGCC et du constructeur, travailler ensemble pour optimiser le fonctionnement de l'ordinateur pendant cette phase de démarrage.
