Grand challenge Extreme-Horizon: comprendre l’Univers « noir » et la formation de galaxies primordiales

La matière visible ne constitue que 16 % de la masse totale de l’Univers. Le reste de la masse dont la nature reste encore mal connue, porte le nom de matière noire. De manière encore plus surprenante, la masse totale de l’Univers ne représente que 30 % de son contenu énergétique. Le reste forme l’énergie noire, totalement inconnue mais responsable de l’expansion accélérée de l’Univers.

 Pour en savoir plus sur la matière et l’énergie noires, les astrophysiciens exploitent les sondages à grande échelle de l’Univers ou encore l’étude détaillée des propriétés des galaxies. Mais ils ne peuvent interpréter leurs observations qu’en les confrontant aux prédictions de modèles théoriques de matière et d’énergie noires. Or de telles simulations requièrent des dizaines de millions d’heures de calcul sur des supercalculateurs.

La collaboration Extreme-Horizon a pu conduire une simulation de l’évolution des structures cosmiques depuis les premiers instants suivants le Big-Bang et jusqu’à aujourd’hui sur le supercalculateur Joliot-Curie, qui offre une puissance de 22 petaflops (22 x 1015 opérations flottantes par seconde). Le volume de données numériques traitées a dépassé 3 To (1012 octets) à chaque pas du calcul, justifiant la mise en œuvre de nouvelles techniques d’écriture (code numérique à raffinement adaptatif de maille RAMSES) et de lecture des données de simulation.

Le premier résultat de cette simulation concerne l’interprétation de grandes structures de l’Univers lointain : les « nuages » d'hydrogène intergalactiques. Les astrophysiciens les détectent en mesurant l'absorption de la lumière des quasars – des sources extrêmement lumineuses en raison de la présence d'un trou noir supermassif qui attire la matière dans son disque d'accrétion. Tous les nuages situés le long de la ligne de visée produisent une « raie d’absorption » (Lyman-α) présentant chacune un « décalage vers le rouge » spécifique, en raison de l’expansion de l’Univers. L'ensemble de ces raies forme donc une « forêt » touffue qui révèle la répartition unidimensionnelle des nuages d'hydrogène, et donc de la matière, à des distances comprises entre 10 et 12 milliards d'années-lumière (al).

Or, de nombreux trous noirs supermassifs, situés entre ces quasars et nous, expulsent une quantité considérable d’énergie dans le milieu intergalactique, modifiant son état thermique et les propriétés de la forêt Lyman- α/Le modèle physique utilisé dans la simulation Extreme-Horizon décrit finement ces rétroactions qui biaisent les estimations des paramètres cosmologiques de quelques pour cent. Le facteur correctif calculé sera crucial en particulier pour l’expérience DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), en construction en Arizona (États-Unis), car il peut dépasser 5 % alors que la précision visée est 1 %.

Par ailleurs, la haute résolution de la simulation Extreme-Horizon dans les régions de faible densité a permis de décrire l’accrétion de gaz « froid » sur les galaxies et la formation des galaxies massives ultra-compactes lorsque l’Univers n’avait que 2 à 3 milliards d’années. Ces galaxies atypiques, observées récemment grâce au radiotélescope Alma (Atacama Large Millimeter/Submillimiter Array), au Chili, se forment par agglomération rapide de nombreuses galaxies très petites. Ce mode de croissance « en essaim d’abeilles » n’a pu être révélé que par la résolution exceptionnelle d’Extreme-Horizon.

Ce projet a été réalisé en collaboration entre le CEA-Irfu, l’AIM (CEA, CNRS, Université de Paris), l’IAP (CNRS, Sorbonne Université) et le LIHPC (Université Paris-Saclay, CEA-DAM).

The impact of AGN feedback on the 1D power spectra from the Ly-α forest using the Horizon-AGN suite of simulations, MNRAS. https://doi.org/10.1093/mnras/staa1242

Formation of compact galaxies in the Extreme-Horizon simulation, A&A Letters. https://doi.org/10.1051/0004-6361/202038614