Résumé :
Les astronomes ont utilisé l'un des superordinateurs les plus puissants au monde pour créer l'une des simulations les plus vastes et les plus sophistiquées de l'univers primitif à ce jour. Ce projet de recherche, baptisé « Lumina », recrée l'évolution des 2 premiers milliards d'années après la naissance de l'univers. La zone simulée mesure environ 1,5 milliard d’années-lumière de chaque côté. Son objectif est d'aider les scientifiques à comprendre comment les premières étoiles et galaxies se sont formées, et comment la matière noire et les rayonnements façonnent conjointement l'univers actuel.
Lumina a été développé par des chercheurs du Center for Astrophysics, une opération conjointe de l'Université Harvard et de la Smithsonian Institution. Les résultats de la recherche ont été publiés dans les « Monthly Notices of the Royal Astronomical Society » le 26 octobre 2026. L'équipe de recherche espère utiliser cet univers virtuel pour comparer le modèle théorique avec les données obtenues par le télescope spatial James Webb et le télescope spatial romain Nancy Grace qui seront bientôt mis en observation scientifique, testant ainsi si les théories cosmologiques existantes peuvent expliquer la véritable apparence de l'univers primitif.
L'astronomie moderne a pu observer des galaxies extrêmement éloignées de la Terre. La lumière de ces objets met des milliards d’années pour atteindre la Terre. Les télescopes peuvent donc réellement aider les humains à se pencher sur les débuts de l’histoire de l’univers. Cependant, les observations seules ne suffisent pas à expliquer pleinement comment ces galaxies se sont formées. Les scientifiques doivent également utiliser des simulations informatiques pour déduire comment la matière et l’énergie évoluent sur des milliards d’années, en partant des conditions initiales de l’univers et en se basant sur des lois physiques connues.
Ce type de simulation équivaut à la mise en place d'un laboratoire virtuel. Les chercheurs peuvent ajuster différentes conditions physiques, observer les interactions entre les étoiles, les galaxies, les gaz et la matière noire, et comparer les résultats des simulations avec les observations astronomiques réelles. Si les deux correspondent, cela signifie que la théorie existante a reçu un soutien supplémentaire ; S'il existe des différences évidentes, cela peut indiquer qu'il existe encore des lacunes dans la compréhension des scientifiques de l'évolution de l'univers.
La caractéristique la plus frappante de Lumina est sa taille. L’ensemble de la simulation couvre une zone cubique d’une longueur de côté d’environ 1,5 milliard d’années-lumière, soit 100 fois plus grande que les simulations similaires précédentes. Une telle étendue spatiale permet aux chercheurs d'observer simultanément la formation de structures à grande échelle dans l'univers, ainsi que les processus physiques se produisant autour de galaxies individuelles, d'étoiles et même de trous noirs.
Cette recherche s'inscrit dans le cadre d'une simulation cosmique d'hydrodynamique des radiations. Contrairement aux modèles qui suivent uniquement la distribution de la matière, ils nécessitent également des calculs d’interactions complexes entre le gaz, la matière noire et le rayonnement. Bien que la matière noire ne puisse pas être observée directement à travers la lumière, elle peut affecter la formation de galaxies et d’autres structures cosmiques par la gravité ; le rayonnement émis par les objets lumineux tels que les étoiles modifiera la température et l'état physique du gaz environnant, affectant ainsi l'évolution ultérieure de l'univers.
L'équipe de recherche a accordé une attention particulière à une étape extrêmement importante de l'histoire de l'univers : la période de réionisation. Il y avait une grande quantité d’hydrogène et d’hélium gazeux aux premiers jours de l’univers. À mesure que les premières étoiles et autres objets lumineux sont apparus, le rayonnement de haute énergie qu’ils ont libéré a progressivement dépouillé les atomes des électrons, transformant le gaz environnant en un état ionisé. Ce processus a profondément modifié les propriétés du gaz dans l'univers et a également créé les conditions nécessaires à l'évolution ultérieure des galaxies et des structures à grande échelle de l'univers.
Une avancée importante de Lumina est que, pour la première fois dans une simulation de cette échelle, le processus de réionisation de l'hélium peut être suivi de manière dynamique, et les changements provoqués par l'ionisation de l'hélium peuvent immédiatement affecter d'autres processus physiques dans la simulation. Auparavant, même si les chercheurs étaient capables d’étudier séparément certains phénomènes connexes, il était difficile de prendre en compte simultanément la structure globale de l’univers et les objets microscopiques qui déterminent ces changements dans une étendue spatiale aussi vaste.
Aaron Smith, professeur adjoint de physique à l'Université du Texas à Dallas qui a participé à l'étude, a déclaré que l'équipe de recherche est désormais capable de suivre comment l'hydrogène et l'hélium se sont progressivement transformés en les états qu'ils connaissent aujourd'hui sur une si vaste étendue de l'univers, tout en conservant une résolution suffisante pour observer les galaxies et autres objets lumineux à l'origine de ce changement.
Réaliser une simulation aussi complexe nécessite des ressources informatiques extrêmement importantes. Les chercheurs ont utilisé le supercalculateur Frontier du laboratoire national d'Oak Ridge aux États-Unis et ont utilisé plus de 15 000 processeurs graphiques pour effectuer les calculs. Frontier est l'un des superordinateurs les plus rapides au monde et sa puissante puissance de calcul parallèle permet à l'équipe de recherche d'élargir la portée des simulations tout en conservant les détails nécessaires à l'étude des galaxies, des étoiles et des trous noirs individuels.
Les chercheurs affirment que Lumina ne consiste pas seulement à créer une démonstration visuelle de l'évolution de l'univers. Sa valeur la plus importante est d'aider les scientifiques à tester différentes explications cosmologiques et à fournir des prédictions vérifiables pour les futures observations télescopiques. Par exemple, les chercheurs analyseront plus en détail comment le gaz circule entre différentes galaxies, comment le rayonnement laissé par le Big Bang affecte l'évolution de l'univers et comment les régions où se produit et changent les régions où se produit la formation d'étoiles particulièrement active.
Alors que des équipements tels que le télescope spatial James Webb et le télescope spatial romain continuent de fournir des données d'observation plus détaillées de l'univers lointain, Lumina devrait devenir un outil important reliant les modèles théoriques et les observations réelles. Les scientifiques peuvent comparer l’univers simulé avec l’univers réel, à la recherche de phénomènes que les théories existantes peuvent expliquer, ainsi que de différences qui ne peuvent toujours pas être raisonnablement expliquées.
L'équipe de recherche espère que cet univers virtuel s'étendant sur 1,5 milliard d'années-lumière aidera à terme les humains à comprendre plus profondément ce qui s'est passé au cours des 2 milliards d'années qui ont suivi le Big Bang et comment les premières galaxies sont nées de la matière et de l'énergie de l'univers primitif.
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