Les cosmologues développent des simulations informatiques de l'univers conçues pour fonctionner sur des ordinateurs exascale. Ces modèles exploitent ces superordinateurs pour fournir de nouvelles informations sur le passé et le présent de notre univers.

Les scientifiques développent ces simulations pour les aider à explorer certaines des plus grandes questions de la physique. Les cosmologues savent que la matière noire représente environ 85 % de la masse de l'univers.

Cependant, ils s’efforcent toujours de comprendre comment cela influence la structure de l’univers lui-même. La lumière des supernovae nous a aidés à comprendre que l’univers se développe à un rythme plus rapide chaque année. Mais « l'énergie noire » qui est à l'origine de cette expansion accélérée reste un mystère.

Les simulations utilisent des données d'observation provenant de télescopes qui cartographient le ciel actuel pour tester diverses hypothèses sur l'évolution de l'univers. L'Office of Science du DOE prend en charge un certain nombre de télescopes qui collectent d'énormes quantités de données. Le premier lot de données de l’instrument spectroscopique de l’énergie sombre en Arizona contient des informations sur deux millions d’objets célestes uniquement. Lorsque la caméra Legacy Survey of Space and Time (LSST) de l'observatoire Vera C. Rubin commencera à collecter des données, elle prendra des centaines d'images chaque nuit pendant 10 ans.

Les cosmologues utilisent ces données pour créer des cartes massives du ciel qui s’étendent bien au-delà de ce que nous pouvons voir sur Terre. Ces « études du ciel » peuvent nous aider à répondre à des questions sur l'énergie noire, la matière noire et d'autres phénomènes cosmiques. Les simulations peuvent également aider les scientifiques à découvrir les meilleures stratégies pour observer le ciel :où regarder, à quelle fréquence et à quelle profondeur.

Au-delà de l’analyse des observations actuelles, les cosmologistes développent des simulations qui leur permettent de créer de nombreuses versions différentes du même univers. Chaque version est basée sur des hypothèses différentes sur la façon dont l'univers a évolué. En comparant ces versions aux cartes basées sur des observations, les scientifiques peuvent voir quelles hypothèses pourraient être les plus proches de la réalité.

Le projet ExaSky s'est concentré sur le développement de ces simulations pour les exécuter sur des ordinateurs exascale. Les ordinateurs exascale peuvent effectuer un milliard de milliards d’opérations en virgule flottante (une forme de calcul) par seconde. En comparaison, il faudrait cinq ans d'affilée à tous ceux qui résolvent des problèmes de mathématiques dans le monde pour effectuer un nombre similaire de calculs à la main.

Frontier de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (une installation utilisateur du DOE Office of Science) a été le premier ordinateur exascale à être mis en ligne en mai 2022. Le prochain – Aurora at the Argonne Leadership Computing Facility (une autre installation utilisateur) – sera bientôt lancé.

Ces ordinateurs disposent à la fois des performances et de la mémoire nécessaires pour gérer les quantités massives de calculs et de données produites par les simulations. En plus du soutien aux installations des utilisateurs, le Bureau de la science a également soutenu ExaSky à travers le projet Exascale Computing et le programme Scientific Discovery through Advanced Computing.

Heureusement, les scientifiques d'ExaSky ne partaient pas de zéro. Ce projet s'est appuyé sur deux principaux ensembles de codes informatiques qui ont alimenté les simulations précédentes. Les codes simulent la façon dont des milliards de galaxies se sont formées et disposées dans ce que les scientifiques appellent la toile cosmique. Les programmes incluent des paramètres sur la structure et la physique des galaxies individuelles, ainsi que sur la façon dont elles interagissent avec elles-mêmes et avec la matière noire via la gravité.

Les scientifiques du projet ExaSky ont mis à jour ces codes pour tirer pleinement parti des capacités des ordinateurs exascale. Les ordinateurs exascale utilisent des unités de traitement graphique (GPU) – similaires à celles utilisées pour les graphiques de jeux vidéo – pour le traitement en plus des unités centrales de traitement (CPU), comme dans un ordinateur portable classique. L'adaptation à cette forme différente de matériel nécessite souvent des révisions substantielles des codes.

Mais exécuter ces simulations sur des ordinateurs exascale présente des avantages majeurs. Ces ordinateurs peuvent exécuter de très grandes simulations beaucoup plus rapidement. Cette rapidité leur permet de raccourcir le délai de réponse à certains problèmes de plusieurs mois à quelques heures. Cela leur permettra également d'aborder de nouvelles questions qui auraient été impossibles à résoudre auparavant.

De plus, les programmes ExaSky peuvent simuler une vaste gamme d'échelles, depuis la taille des plus petites galaxies jusqu'à une distance inférieure à un cinquième de la distance jusqu'aux limites de l'univers observable. Cela représente une échelle allant de 1 à 10 millions.

Les ordinateurs exascale permettent également aux scientifiques de développer de nouveaux modèles capables de décrire des processus que les simulations actuelles ne peuvent pas inclure. Par exemple, les noyaux galactiques actifs sont des zones situées au cœur des galaxies qui émettent des rayonnements. Les trous noirs supermassifs en sont probablement la cause.

Bien que ces noyaux galactiques actifs soient des millions de fois plus massifs que notre soleil, les processus qui les forment sont encore à une trop petite échelle pour que les simulations actuelles puissent les inclure. Les simulations ExaSky pourront inclure ces phénomènes à l'aide de modèles approximatifs.

Les plus grandes questions de la cosmologie et les plus grandes structures de l’univers sont difficiles à comprendre pour les humains. Les scientifiques qui utilisent des ordinateurs exascale pour exécuter des simulations fournissent des informations sur le passé, le présent et l'avenir de notre univers.