Cosmic Dawn III recrée l’époque de la réionisation dans une résolution sans précédent

Les physiciens se sont vivement intéressés au premier milliard d’années de l’univers — la période entre le Big Bang et la formation des premières étoiles au cours de laquelle les galaxies ont commencé à se former. Au cours des 600 derniers millions d’années environ de cette période, le milieu galactique interstellaire neutre – et même le milieu pré-galactique – s’est ionisé avec le rayonnement ultraviolet émis par les premières étoiles brillant dans les premières galaxies en croissance. Une compréhension de la physique de ce tronçon, appelé “l’époque de la réionisation”, ou EoR, relierait la physique de l’univers moderne au Big Bang.

“L’époque de la réionisation représente la dernière transition majeure de l’univers dans l’histoire de l’évolution cosmique”, déclare l’astrophysicien théoricien Paul Shapiro de l’Université du Texas à Austin, “depuis la phase où tout l’espace était rempli d’un environnement homogène presque sans relief. gaz à la phase dans laquelle la structure a émergé, avec la formation des premières galaxies et à l’intérieur d’elles, des étoiles. “

L’observation directe des sources distantes de réionisation est difficile et les détections sont jusqu’à présent limitées aux galaxies les plus brillantes. Les physiciens utilisent des simulations informatiques pour recréer la riche physique de l’EoR. Le 10 avril, lors de la réunion d’avril 2022 de l’APS, l’astrophysicien théoricien Paul Shapiro de l’Université du Texas à Austin présentera les faits saillants et les prévisions d’observation du projet Cosmic Dawn III (CoDa), la plus grande simulation hydrodynamique de rayonnement de l’EoR à ce jour.

La simulation de l’EoR avec CoDa III a nécessité une lourde charge de calcul. Avec un billion d’éléments de calcul — 8192³ particules de matière noire et 8192³ cellules de gaz et de rayonnement dans une région de 300 millions d’années-lumière à travers aujourd’hui – le modèle avait une résolution suffisamment élevée pour suivre tous les halos galactiques nouvellement formés qui ont généré la réionisation dans ce volume, bien au-delà de la portée des ordinateurs ordinaires. La simulation s’est déroulée pendant 10 jours sur 131 072 processeurs couplés à 24 576 unités de traitement graphique sur le supercalculateur massivement parallèle Summit, situé au Oak Ridge National Laboratory dans le Tennessee.

La taille n’est pas la seule caractéristique remarquable de la simulation CoDa III, explique Shapiro. Le suivi de l’évolution de la formation et de la réionisation des galaxies nécessite la prise en compte d’un processus de rétroaction mutuelle : le rayonnement ionisant qui s’échappe des galaxies doit chauffer le milieu intergalactique. Cette chaleur supplémentaire, à son tour, a suffisamment pressurisé le gaz pour résister à l’attraction gravitationnelle des galaxies proches. Étant donné que le gaz aurait autrement alimenté la formation d’étoiles, le résultat net de ce processus est de contrecarrer de nouvelles étoiles.

Les modèles précédents ont séparé ces effets, mais Shapiro dit que CoDa III peut simuler la dynamique gravitationnelle du gaz et de la matière ensemble tout en tenant compte du rayonnement ionisant et de son effet sur le gaz. Sans transfert radiatif, le temps dans le modèle évolutif devrait être divisé en étapes suffisamment petites pour représenter les densités changeantes du gaz, des étoiles et de la matière noire. L’ajout de cette boucle de rétroaction signifie que les pas de temps doivent être des centaines de fois plus petits pour capturer la vitesse élevée des “surfaces d’ionisation” – des bulles ionisantes en expansion rapide sortant des galaxies nouvellement formées et balayant l’univers. Selon Shapiro, les processeurs et GPU liés du supercalculateur Summit ont permis de résoudre ces équations presque aussi rapidement que si le modèle n’incluait pas le rayonnement.

Notamment, dit Shapiro, CoDa III résout un problème entre la théorie et les données d’observation qui a émergé dans les études EoR ; à savoir que les prédictions théoriques des modèles précédents ne correspondent pas aux observations des spectres d’absorption des quasars qui sondent l’univers à la fin de l’EoR et après. Ce problème disparaît dans CoDa III, car la simulation produit des prédictions auto-cohérentes qui concordent avec les dernières observations.

Shapiro prédit que l’étude de l’EoR est sur le point de connaître sa propre expansion rapide dans les années à venir. Des observatoires spatiaux comme le télescope spatial James Webb, qui a été lancé en décembre 2021, et le télescope spatial romain Nancy Grace, dont le lancement est prévu en 2027, ainsi que des projets au sol comme l’Extremely Large Telescope, amélioreront la capacité des astronomes pour observer les moteurs lointains de la réionisation. Les enquêtes radio actuelles et à venir pourraient aider les chercheurs à mieux limiter la manière agglomérée et inhomogène dont l’IGM est devenu ionisé.

Des simulations comme Cosmic Dawn, dit Shapiro, fournissent une base théorique pour ce que ces télescopes sophistiqués verront. “En plus de faire correspondre le spectre existant d’observations et d’en prévoir de nouvelles”, dit-il, “cela fournit un aperçu critique de la nature des processus physiques qui ont eu lieu.”