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Astronomie / Espace

Gigantesque simulation du premier milliard d’années de notre Univers

Publié par Planétarium de Strasbourg - Jardin des Sciences, le 19 mars 2021   910

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Entretien avec un astronome impliqué

Pierre Ocvirk (Observatoire astronomique de Strasbourg) vient de terminer les calculs de Cosmic Dawn III, une gigantesque simulation du premier milliard d’années de l’Univers, période qui comprend la naissance des toutes premières étoiles, marquant ainsi la fin de la période des “âges sombres”, et l’avènement de l’aube cosmique (Cosmic Dawn en anglais). Nous l’avons interrogé sur son travail et ce remarquable projet d’ampleur internationale.

Pierre Ocvirk, vous travaillez à l'observatoire de Strasbourg, quelle fonction exercez-vous ? Vous considérez-vous plutôt informaticien ou astronome ?

Je suis astronome, au sein de l’équipe CDS (Centre de Données de Strasbourg), et avec de très fortes collaborations avec l’équipe GALHECOS, principalement sur le thème de l’Univers jeune et de la formation des galaxies. Je suis totalement astronome, mais l’astronomie aujourd’hui nécessite des compétences en programmation et manipulation de grands jeux de données, donc nous sommes tous également un peu développeurs, à notre niveau. 

Pourquoi avoir choisi de mener des recherches en simulation informatique plutôt que dans le domaine de l'astronomie observationnelle ?

Les questions qui sous-tendent ma recherche concernent des processus qui sont encore très difficiles à observer, mais ont un impact profond sur l’Univers et les galaxies. Dans ce cas, la simulation numérique sert à rendre visible et à comprendre ce que l’on n’arrive pas à observer. Mais de grands projets instrumentaux en cours et en construction viendront  bientôt apporter des éléments de réponse complémentaires, confirmer ou infirmer les résultats de mes modélisations. L’observation toute récente de filaments de très petites galaxies par l’instrument MUSE a des époques proches de celle explorée par Cosmic Dawn III est très intéressante et à mettre en rapport avec nos prédictions. 

 Vous venez de terminer un énorme travail de simulation du premier milliard d'années de l'Univers avec un supercalculateur appelé Summit. De quoi s’agit-il ?

Une allée du super calculateur Summit (Oak Ridge Leadership Computing Facility), situe à  Oak Ridge, Tennessee, USA. Cette machine appartient au Département de l’Energie américain (DoE).

Cosmic Dawn III a nécessité l’utilisation de plus de 131072 processeurs couplés à 24576 accélérateurs de calcul en parallèle. Actuellement, la seule machine dans le monde capable de supporter une telle charge est Summit, qui appartient au centre de calcul américain OLCF (Oak ridge Leadership Computing Facility). En fait, c’était le supercalculateur le plus puissant du monde jusqu’en juin 2020. Il a été détrôné par Fugaku, une nouvelle machine japonaise.  Désormais, Summit est donc “seulement” la 2e machine la plus puissante.

Combien de temps prend cette myriade de calculs mathématiques avec ses 20 peta-octets produits ? C’est un flux de données incroyable non ?

20 peta-octets, disons simplement que c’est beaucoup ! Si vous souhaitiez télécharger tout Netflix vous en auriez pour ~ 200 Tera-octets (à la louche), soit environ 100 fois moins que Cosmic Dawn III. Plus proche de l’astronomie, le Centre de Données de Strasbourg, auquel le monde entier accède pour interroger nos bases de données, tient sur plusieurs peta-octets, backup compris, et contient tout le ciel, plusieurs fois, dans une multitude de longueurs d’onde. Le télescope LSST, en construction, qui constitue un défi au sens de la production et du traitement des données, produira 15 Tera-octets de données par nuit. Cosmic Dawn III, qui a tourné durant 10 jours, a donc produit ses données avec une cadence entre 50 et 100 fois plus élevée.

Pratiquement, cela veut aussi dire qu’il est impossible de rapatrier vers Strasbourg ces données du centre de calcul américain où elles ont été produites. Cela prendrait des années et je ne saurais pas où les mettre. Il faut donc les analyser à distance, ce que fort heureusement nous avons appris à faire. 

 Faute de pouvoir observer l'Univers dans son ensemble les astrophysiciens se sont lancés dans des simulations de tout l'Univers Observable et notamment comme vous de son premier milliard d'années. Quels ingrédients sont à la base de tous vos calculs ?

Une simulation numérique comme Cosmic Dawn III nécessite 2 ingrédients majeurs : un point de départ, et un algorithme qui permet de le faire avancer dans le temps. Les propriétés statistiques de l’Univers environ 300 000 ans après le Big Bang sont connues à travers l’étude du fond diffus micro-onde, en particulier par le satellite Planck. Cette connaissance, qui est “condensée” dans le spectre de puissance des fluctuations de densité primordiales, est utilisée pour créer un jeu de données, que l’on appelle “conditions initiales”, qui présente les mêmes propriétés statistiques. Ce jeu de données comprend un cube de densité de matière et de vitesses qui seront le point de départ de la simulation. 

 Mais alors cela suppose un algorithme bien complexe tout ça non ?

L’algorithme qui permet de faire évoluer ce cube d’Univers dans le temps doit tenir compte de plusieurs processus physiques :

  1. La gravité
  2. L’hydrodynamique du gaz         

  3. La physique atomique, i.e. notamment les collisions entre les atomes du gaz qui donnent   lieu à des pertes d’énergie

  4. La formation stellaire et ses conséquences : émission de rayonnement et supernovae, ce qui donne lieu à la prise en compte de processus supplémentaires :
  5. La propagation des photons ionisants et leur interaction avec le gaz d’hydrogène (ionisation et chauffage)
  6. Explosions de supernovae (impact mécanique et thermique sur le gaz)

Et tous ces processus s’appuient sur quelles lois de la physique ?

Les processus 1 et 2 utilisent les équations de la gravitation et de la mécanique des fluides, qui sont fondamentales et bien connues.

Par contre, les processus 3,4,6 relèvent d’échelles sub-galactiques très petites (pour le cosmologiste), et nécessitent des paramètres supplémentaires, comme la distribution de masse des étoiles lors d’un épisode de formation stellaire, la quantité de photons ionisants émis, l’opacité du nuage de naissance ou sa capacité à se dissiper pour devenir plus transparent, la quantité d’énergie déposée par les supernovae dans le gaz d’une galaxie et la réponse de ce gaz à un tel événement. Certains de ces paramètres sont très difficiles à déterminer observationnellement de façon robuste et sont très débattus dans la communauté. L’incertitude sur ces paramètres est une limite importante du pouvoir prédictif de nos simulations.

Tenez-vous compte de l'Univers invisible : énergie noire, matière sombre ou ce sont ces simulations des premiers instants de l'Univers qui conduisent à une meilleure connaissance de cet invisible ?

Le mélange énergie noire + matière sombre conditionne l’évolution de la vitesse d’expansion de l’Univers, et des paramètres “standard”, donnés par le satellite Planck, sont adoptés pour ces quantités, c’est à dire environ 70%, 25% et 5% pour l’énergie noire, la matière sombre et la matière ordinaire, respectivement. Ceci définit le cadre cosmologique de la simulation, dans laquelle la matière sombre va ensuite s’agglomérer sous l’effet de la gravité.

Les couleurs utilisées dans votre simulation, photons en bleu, densité de gaz en blanc, bulles chaudes en rouge...sont-elles décidées unilatéralement à l'échelle internationale ?

La densité de photons ionisants est représentée en bleu. Elle prend la forme de bulles clignotant au rythme des populations d’étoiles massives qui naissent et meurent. La densité de gaz, en blanc, devient progressivement visible, et matérialise le réseau filamentaire de gaz cosmique, ponctué de noeuds qui sont des galaxies en formation. C’est en leur sein que naissent les étoiles massives, qui brillent quelques millions d’années avant d’exploser en supernovae. Ces détonations peuvent ponctuellement chauffer le gaz, alors représenté en rouge. Les galaxies plus massives, à cause des explosions répétées, et de l’augmentation de la pression du gaz choqué dans leur puits de potentiel, développent des bulles chaudes pérennes, en rouge également, de plusieurs centaines ou plusieurs millions de degrés. Le clignotement timide des premières bulles de photons laisse rapidement la place à une croissance soutenue, au point que les bulles se rejoignent et englobent finalement tout le volume de l’Univers, dont le milieu intergalactique est alors entièrement ionisé.

La simulation elle-même n’a pas de couleurs, simplement des champs physiques, c’est à dire des cubes de densité, température, fraction ionisée, composition chimique du gaz ...  C’est l’étape de la visualisation qui nécessite la composition. Les couleurs sont choisies pour rendre visibles les processus physiques importants dans la simulation (la propagation des photons, le chauffage du gaz, sa distribution spatiale). Le but est de “faire parler” l’image, tout en utilisant l’intuition du spectateur (par exemple rouge = chaud) et en transmettant quand c’est possible une information physique dans la couleur. Par exemple les photons ionisants modélisés dans Cosmic Dawn III sont de l’ultra-violet extrême (environ 4 fois plus bleus que ce que l’oeil humain perçoit), d’où la couleur bleue employée. Certains centres de galaxies peuvent être très denses et donc très opaques aux photons ionisants et apparaissent en noir, comme les régions du milieu intergalactique que les photons ne sont pas encore parvenus a atteindre. C’est donc à chaque astronome de composer au mieux pour transmettre les messages importants de son image/film.

Ce parti pris existe aussi dans l’astronomie observationnelle, où les longueurs d’ondes capturées par les instruments, des rayons gamma jusqu’au radio basse fréquence vont bien au-delà de la perception humaine. 

Vous nourrissez l'espoir de fournir des prédictions très utiles aux futurs télescopes dédiés à ces premiers instants de l’Univers comme Ska ou le James Web Telescope. Pensez-vous que cette conjugaison simulation-observations va permettre de répondre à la question des premières secondes de notre Univers dans les toutes prochaines décennies ?

Les premières secondes probablement pas (bien que l’on ne soit pas à l’abri d’une surprise, comme souvent en astrophysique), mais le premier milliard d’années, certainement.

Quelles sont vos prochaines étapes dans ces recherches ? Un supercalculateur plus puissant que Summit est-il en gestation ?

Déjà analyser la simulation que nous venons de terminer, ce qui va prendre quelques années. Pour la prochaine itération, il faudra prendre en compte également la physique des noyaux actifs de galaxies, au sein desquels les trous noirs super massifs en formation peuvent être de puissantes sources de rayonnements ionisants et modifier significativement les conditions physiques régnant dans une galaxie et son environnement. Cet aspect est actuellement absent dans Cosmic Dawn III et son impact est mal connu. Il se peut que cette prochaine simulation requière un super calculateur encore plus puissant. Le successeur de Summit est en cours de construction aux Etats-Unis. Il s’appellera Frontier et sera 8 fois plus puissant. Mais peut-être n’aurons-nous pas besoin d’aller aussi loin pour ces calculs. La France s’est dotée récemment du super calculateur Jean Zay, un très bel outil, sur lequel nous travaillons régulièrement, mais la taille de Cosmic Dawn III et sa suite nécessite une machine encore 10 à 20 fois plus puissante. C’est au niveau européen que va se jouer la prochaine grande évolution puisque l’Europe se dote, pour la première fois de son histoire, d’une série de calculateurs européens (c’est à dire financés en commun par les états-membres) à travers EuroHPC. C’est donc peut-être sur ces machines que seront réalisées les prochaines simulations géantes du premier milliard d’années de l’Univers.

Pensez-vous qu'une nouvelle théorie cosmologique puisse encore contredire les résultats de ces simulations poussées ?

Cosmic Dawn III a été réalisée dans le contexte dit Lambda CDM, c’est a dire un univers avec énergie noire et matière sombre froide, qui est, pour l’instant, la théorie mieux établie, même si elle a des difficultés à rendre compte de certaines observations, notamment aux petites échelles. Certaines théories concurrentes postulent un univers sans matière noire, mais avec des modifications de la loi de la gravite. S’il s’avère que c’est l’une de celles-ci qui est correcte, parce que de nouvelles observations viennent la supporter, alors tout notre travail de modélisation de l’aube cosmique et de l’époque de la réionisation est à reprendre, quasiment à partir de zéro. Mais nous ne serons pas les seuls dans ce cas, car ce serait un énorme séisme pour toute l’astrophysique.

L'exploitation de la simulation ne fait que commencer, mais un aperçu en vidéo de l’évolution de ce pan d'univers simulé a déjà été réalisé par Pierre Ocvirk :

Voir les vidéos de Pierre Ocvirk

 Ces films représentent des régions extraites de la simulation, d’une taille de quelques dizaines a une centaine de millions d’années-lumière co-mobiles (une unité de longueur qui tient compte de l’expansion de l’Univers, très rapide aux époques concernées). La période visualisée va d’environ 50 millions d’années après le Big Bang, pendant les âges sombres, jusqu’à 1.25 milliard d’années. 

 Le projet implique, en plus de P. Ocvirk, D. Aubert, J. Lewis, N. Gillet et J. Chardin, de l’Observatoire Astronomique de Strasbourg également. L’équipe a acquis son savoir-faire en matière de très grandes simulations sur des moyens de calcul d’abord régionaux, auprès du centre de calcul de l’Université de Strasbourg, puis nationaux, grâce à GENCI (Grand Equipement National de Calcul Intensif) et l’IDRIS (Institut de Développement et des Ressources en Informatique Scientifique), et enfin européens. A ce coeur strasbourgeois s’ajoutent des collaborateurs nationaux et internationaux, en particulier au sein du projet CLUES (Constrained Local Universe Simulations) qui a produit le jeu de conditions initiales de Cosmic Dawn III.

 Références & liens :

Summit, Oak Ridge Leadership Computing Facility: https://www.olcf.ornl.gov/

SKA: https://www.skatelescope.org/

NenuFAR: https://www.obs-nancay.fr/-NenuFAR-45-.html?lang=fr

JWST: https://www.jwst.nasa.gov/

EuroHPC: https://eurohpc-ju.europa.eu/

CLUES : https://www.clues-project.org/cms/

  

Entretien : Jean-Yves Marchal