Une nouvelle simulation recrée une époque ancienne dans l’univers qui n’a pas encore été vue directement

Les domaines de l’astronomie et de l’astrophysique sont sur le point de connaître une révolution dans les années à venir. Grâce aux observateurs de la prochaine génération comme le Télescope spatial James Webb (JWST), les scientifiques pourront enfin assister à la formation des premières étoiles et galaxies de l’Univers. En effet, ils pourront percer le voile de l’Age des Ténèbres Cosmiques, qui a duré environ 370 000 ans à 1 milliard d’années après le Big Bang.

Pendant cette période, l’Univers était rempli de nuages ​​d’hydrogène neutre et de photons découplés qui n’étaient pas visibles pour les astronomes. En prévision de ce que les astronomes verront, des chercheurs du Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et du Max Planck Institute for Astrophysics (MPIA) ont créé une nouvelle suite de simulation appelée Thesan qui simule le première période de formation des galaxies.

La création de la suite Thesan et les résultats obtenus par l’équipe sont décrits dans une série de trois articles récemment acceptés au Avis mensuels de la Royal Astronomical Society† Les simulations ont été créées à l’aide du supercalculateur SuperMUC-NG situé au Leibniz Supercomputing Center de l’Académie bavaroise des sciences. Le processus a pris plus de 30 millions d’heures de processeur et aurait nécessité plus de 3 500 ans pour se terminer sur un ordinateur conventionnel.

Une illustration de l’expansion cosmique. Crédit: Laboratoire d’images conceptuelles du Goddard Space Flight Center de la NASA

Les simulations couvrent l’époque de la réionisation (il y a environ 13 milliards d’années). Au cours de cette période cosmique, les atomes d’hydrogène neutres ont été ionisés pour former des atomes d’hydrogène positifs, permettant à la lumière de se répandre dans tout l’Univers. Simuler cette période n’était pas une tâche facile, car il s’agissait de recréer des interactions immensément compliquées et chaotiques entre la gravité, le gaz, le rayonnement, etc. Cela signifiait également capturer la physique à des échelles un million de fois plus petites que les régions simulées.

L’équipe y est parvenue en combinant des modèles réalistes de formation de galaxies et de poussière cosmique avec un nouvel algorithme qui suit l’interaction de la lumière avec le gaz. Grâce à cela, ils ont pu résoudre les interactions dans l’univers primitif avec des détails sans précédent et sur le plus grand volume de toutes les simulations précédentes. Comme l’a expliqué Rahul Kannan, astrophysicien au CfA et auteur principal du premier article de la série :

“La plupart des astronomes n’ont pas de laboratoires pour mener des expériences. Les échelles d’espace et de temps sont trop grandes, donc la seule façon dont nous pouvons faire des expériences est sur les ordinateurs. Nous sommes capables de prendre des équations physiques de base et des modèles théoriques directeurs pour simuler ce qui s’est passé dans l’univers primitif.

« De nombreux télescopes mis en ligne, comme le JWST, sont spécifiquement conçus pour étudier cette époque. C’est là que nos simulations entrent en jeu; ils vont nous aider à interpréter les observations réelles de cette période et à comprendre ce que nous voyons.

Image de la structure à grande échelle de l’Univers, montrant des filaments et des vides dans la structure cosmique. Crédit : Projet de simulation du millénaire

Avec cette nouvelle suite de simulation, les chercheurs peuvent simuler un morceau de notre Univers couvrant 300 millions d’années-lumière de diamètre. Ils peuvent ensuite le faire avancer dans le temps pour suivre et visualiser la formation des premières galaxies dans cet espace, commençant environ 400 000 ans après le Big Bang, et observer leur évolution au cours du premier milliard d’années. Lorsque l’équipe a exécuté les simulations, elle a constaté que la transition de l’obscurité totale à la lumière était progressive.

Selon le co-auteur de l’étude, Aaron Smith, boursier Einstein de la NASA à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT :

« C’est un peu comme de l’eau dans des bacs à glaçons ; lorsque vous le mettez au congélateur, cela prend du temps, mais au bout d’un moment, il commence à geler sur les bords, puis s’infiltre lentement. C’était la même situation dans l’Univers primitif – c’était un cosmos neutre et sombre qui est devenu brillant et ionisé lorsque la lumière a commencé à émerger des premières galaxies.

Les simulations ont été créées pour se préparer aux observations des télescopes de nouvelle génération comme James WebbNancy Grace Romanet origines télescope spatial. Avec des télescopes au sol comme l’Extremely Large Telescope (ELT) et le Giant Magellan Telescope (GMT), ces observatoires pourront voir plus profondément dans l’espace et (donc) plus loin dans le temps que leurs prédécesseurs. En fait, on estime que James Webb pourra voir l’Univers tel qu’il était il y a 13,5 milliards d’années.

À l’heure actuelle, le record de l’objet unique le plus éloigné jamais vu revient à Earendel, une étoile située à environ 12,9 milliards d’années-lumière de la Terre. En termes de galaxies, ce record revient à GN-z11, situé à environ 13,39 milliards d’années-lumière de la Terre dans la constellation de la Grande Ourse. Ce qui est particulièrement excitant, c’est que la communauté astronomique n’aura pas à attendre longtemps pour que les observations et les données réelles du télescope soient comparées aux simulations Thesan.

Les premières étoiles
Une visualisation de ce à quoi ressemblait l’Univers lorsqu’il traversait sa dernière grande ère de transformation : l’époque de la réionisation. Crédit : Paul Geil & Simon Mutch/Université de Melbourne

“Et c’est la partie intéressante”, a déclaré le co-auteur Mark Vogelsberger, professeur agrégé de physique au MIT. “Soit nos simulations et notre modèle thésan concordent avec ce que JWST trouve, ce qui confirmerait notre image de l’univers, soit il y aura un désaccord important montrant que notre compréhension de l’univers primitif est erronée.”

Cependant, l’équipe ne saura pas comment son modèle se compare à la réalité tant que les premières observations ne seront pas disponibles. Une fois qu’ils l’ont fait, ils tenteront de faire correspondre divers aspects de leur modèle aux observations, y compris les propriétés des premières galaxies et l’absorption et la fuite de la lumière dans l’Univers primordial. À partir de là, nous saurons enfin comment et quand l’âge des ténèbres a été dissipé.

“Nous avons développé des simulations basées sur ce que nous savons”, explique Kannan. “Mais alors que la communauté scientifique a beaucoup appris ces dernières années, il y a encore pas mal d’incertitude, surtout en ces temps anciens où l’univers était très jeune.”

Pendant des générations, les astronomes ont attendu le jour où il serait possible de visualiser les premières périodes de l’Univers et de voir comment tout a commencé. Lorsqu’il est associé à des observations sur l’évolution du cosmos, les scientifiques seront enfin en mesure d’aborder certains des mystères les plus profonds du cosmos. Savoir qu’un tel jour approche à grands pas n’est rien de moins qu’excitant !

Et assurez-vous de consulter cette vue 3D de la simulation Thesan. Découvrez plus de simulations sur leur page Youtube !

Lectures complémentaires : Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian

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