Beaucoup reste un mystère sur le premier milliard d’années de l’histoire de l’univers, l’époque à laquelle le cosmos a émergé de son âge sombre avec l’aube des premières étoiles et galaxies. Aujourd’hui, les scientifiques ont développé le modèle informatique le plus grand et le plus détaillé de cette période à ce jour pour aider à faire la lumière sur l’évolution de l’univers infantile. Nommé THESAN, d’après la déesse étrusque de l’aube, les prédictions de ce nouveau projet sur le passé primordial seront bientôt testées par les données du télescope spatial James Webb (JWST) récemment lancé par la NASA et d’autres observatoires de nouvelle génération.
Immédiatement après le big bang, il y a environ 13,8 milliards d’années, l’univers était rempli d’un brouillard cosmique. La chaleur de la création était si grande que les électrons ne pouvaient pas se combiner avec les protons et les neutrons pour former des atomes, et l’espace était plutôt imprégné d’une soupe dense de plasma – des particules chargées électriquement (ou ionisées) qui diffusaient plutôt que transmettaient la lumière. Ce brouillard cosmique s’est brièvement levé quelque 380 000 ans plus tard, pendant l’ère dite de la recombinaison, lorsque l’univers s’est suffisamment refroidi pour permettre aux atomes de geler du plasma sous forme de nuages d’hydrogène gazeux optiquement transparent et électriquement neutre. Soudainement libérée, la lumière de la rémanence du big bang a éclaté dans tout l’univers, qui s’est ensuite estompé dans l’obscurité car les étoiles ne se sont pas encore formées.
Les ténèbres ont régné pendant les quelques centaines de millions d’années suivantes jusqu’à ce que la gravité commence à rassembler la matière dans les étoiles et les galaxies. Même alors, l’obscurité ne s’est dissipée que progressivement, car le rayonnement ultraviolet intense des premiers objets lumineux de l’univers a réionisé l’hydrogène neutre environnant, brûlant finalement l’obscurité gazeuse. Cette « époque de réionisation » a duré plus d’un demi-milliard d’années, mais les scientifiques en savent très peu sur ses détails. Ce qu’ils savent avec certitude, c’est que sa fin a marqué le moment cosmique où la lumière de l’autre côté du spectre électromagnétique – plutôt que la simple fraction qui pouvait percer le voile de l’hydrogène neutre – a commencé à voyager librement dans l’espace. En termes simples, c’est à ce moment-là que l’univers est enfin devenu clair pour être étudié par des astronomes curieux cherchant à savoir exactement comment l’aube cosmique s’est produite.
Cela ne veut pas dire que de telles études sont faciles. Pour voir la lumière de ces temps anciens, les chercheurs doivent utiliser les télescopes les plus grands et les plus sensibles disponibles pour rechercher des objets aussi éloignés que possible. En effet, plus la distance d’un objet est grande, plus sa lumière a mis de temps pour atteindre la Terre et plus cette lumière sera atténuée.
Une aube cosmique computationnelle
Une autre façon d’avoir un aperçu de cette époque révolue est de la simuler sur des ordinateurs. Les premières étapes de la réionisation sont relativement simples à recréer car l’univers était alors relativement sombre et uniforme, explique Aaron Smith, astrophysicien au Massachusetts Institute of Technology, qui a aidé à développer THESAN. Cependant, à mesure que la matière primordiale se trie en galaxies et en étoiles, les interactions complexes entre la gravité, la lumière, le gaz et la poussière deviennent de plus en plus difficiles à modéliser.
“Étant donné que la modélisation de la lumière est assez compliquée et coûteuse en calculs, il n’y a que quelques simulations cosmologiques qui se concentrent sur l’exploration de cette époque”, explique l’astrophysicien Rahul Kannan du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, qui a aidé à développer THESAN. “Chacune de ces simulations cosmologiques a ses propres avantages et inconvénients.”
THESAN est conçu pour simuler l’univers primitif dans une mesure sans précédent. Certaines simulations cosmologiques, telles que les simulations Cosmic Dawn (CoDa) et le projet Cosmic Reionization on Computers (CROC), ont modélisé de grands volumes à des résolutions relativement faibles, tandis que d’autres, telles que les simulations Renaissance et SPHINX, sont plus détaillées mais ne le font pas. couvrir de grandes distances. En revanche, THESAN « combine une haute résolution avec de grands volumes simulés », explique Kannan.
“Habituellement, il y a un compromis entre étudier en détail la formation des galaxies et la réionisation cosmique, mais THESAN parvient à faire les deux”, explique l’astrophysicien John Wise du Georgia Institute of Technology, qui n’a pas travaillé sur THESAN.
Les développeurs de THESAN l’ont construit sur le dos d’une ancienne série de simulations appelée Illustris-TNG, dont il a été démontré qu’elle modélise avec précision de nombreuses propriétés et populations de galaxies en évolution. Ils ont ensuite développé un nouvel algorithme pour modéliser la façon dont la lumière des étoiles et des galaxies a interagi avec et réionisé leur gaz environnant au cours du premier milliard d’années de l’univers – des détails que les simulations précédentes n’ont pas réussi à intégrer à grande échelle. Enfin, l’équipe THESAN a inclus un modèle de la façon dont la poussière cosmique dans l’univers primitif peut avoir influencé la formation des galaxies.
“Ils ont combiné deux modèles de pointe et en ont ajouté un peu plus – cela semble vraiment intéressant”, déclare Risa Wechsler, cosmologiste à l’Université de Stanford et directrice du Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, qui n’a pas participer à THESAN.
Mise à l’échelle
THESAN peut suivre la naissance et l’évolution de centaines de milliers de galaxies dans un volume cubique couvrant plus de 300 millions d’années-lumière. À partir d’environ 400 000 ans après le big bang – avant que l’on pense que les premières étoiles aient émergé – la simulation extrapole à travers le premier milliard d’années de l’histoire cosmique. Pour faire tout cela, THESAN fonctionne sur l’un des plus grands supercalculateurs au monde, SuperMUC-NG, qui a utilisé près de 60 000 cœurs de traitement informatique pour effectuer les calculs de la simulation sur un équivalent de 30 millions d’heures CPU. (Pour la perspective, ce même exploit informatique nécessiterait 3 500 ans de traitement de nombres dédié sur un ordinateur de bureau typique.)
Un rendu de la simulation de THESAN, montrant des étoiles et des galaxies de l’univers primitif interagissant avec et réionisant les nuages de gaz environnants pour créer les structures cosmiques familières que nous voyons aujourd’hui.
“Pour moi, l’une des choses les plus excitantes à propos des simulations THESAN est la résolution accrue”, déclare l’astrophysicien Brian Welch de l’Université Johns Hopkins, qui n’a pas travaillé sur THESAN. «Ils semblent être capables de connecter les structures à petite échelle au sein des galaxies qui créent des photons ionisants au milieu intergalactique à plus grande échelle où ces photons conduisent l’époque de la réionisation. Les simulations peuvent alors aider à déterminer comment les photons ionisants s’échappent des galaxies et donc comment ces galaxies entraînent la réionisation.
À l’aide du télescope spatial Hubble, Welch et ses collègues ont récemment découvert l’étoile unique la plus éloignée jamais détectée, baptisée Earendel, qui remonte à l’époque où l’univers n’avait que 900 millions d’années. Bien que THESAN ne puisse pas simuler des étoiles individuelles telles qu’Earendel “puisque cela nécessiterait une puissance de calcul démesurée”, il peut toujours éclairer les conditions dans les galaxies dans lesquelles Earendel et ses compatriotes se formaient, dit-il.
Les chercheurs disent que THESAN donne déjà des prédictions sur l’univers primitif. Par exemple, cela suggère que la distance parcourue par la lumière a augmenté vers la fin de la réionisation de manière plus spectaculaire qu’on ne le pensait auparavant – d’un facteur 10 sur quelques centaines de millions d’années – probablement parce que des poches de gaz denses qui ont mis plus de temps à s’ioniser ont été manquées par les précédentes. -simulations de résolution.
Un inconvénient de THESAN, cependant, est qu’il utilise un modèle relativement simpliste pour le gaz dense froid dans les galaxies, dit Kannan. L’équipe THESAN travaille actuellement sur un projet de suivi baptisé THESAN-ZOOMS pour remplacer ce modèle “par un modèle beaucoup plus sophistiqué qui prend en compte de nombreux processus physiques supplémentaires qui ont un impact sur les propriétés de ce gaz dense”, note-t-il.
Une autre lacune de THESAN est que le volume qu’il simule est sans doute trop petit pour identifier correctement les détails clés de l’évolution de l’univers primitif, tels que la taille et le nombre de poches de gaz transparent ionisé, explique Kannan. Les scientifiques prévoient actuellement d’étendre la simulation à un volume 64 fois plus grand via un ensemble diversifié de réglages d’optimisation destinés à améliorer ses performances globales, dit-il.
Attentes versus réalité
La question de savoir si l’une de ces lacunes fait réellement une différence significative pour les prédictions de THESAN pourrait bientôt être révélée par de nouvelles observations de JWST, qui est conçu pour voir les premières étoiles et galaxies. Les étoiles et les galaxies fusionnées dans le cosmos virtuel de THESAN refléteront-elles les populations d’objets anciens tels qu’ils sont vus par l’optique de JWST ? Les chercheurs sont impatients de le découvrir. Les modèles des galaxies faibles de l’univers primitif sont très sensibles aux incertitudes sur des phénomènes tels que la formation d’étoiles, “qui restent très controversés”, explique Aaron Yung, astrophysicien théoricien au Goddard Space Flight Center de la NASA, qui n’a pas travaillé sur THESAN. Les simulations qui peuvent modéliser avec succès des galaxies connues « peuvent fournir des prédictions divergentes dans les populations faibles. [JWST] détectera ces galaxies pour la première fois et fournira des contraintes sur la physique qui pilote la formation de ces galaxies.
D’ici la fin de cette année, JWST sera en mesure de collecter suffisamment de données pour tester THESAN en ce qui concerne de nombreuses prédictions des propriétés des galaxies, a déclaré Smith. “Nous travaillons déjà avec des astronomes impliqués dans le JWST pour interpréter les données qui seront disponibles cette année.”
“Mon intuition me dit que JWST correspondra aux statistiques des galaxies brillantes modélisées dans CoDa, CROC et THESAN”, déclare Wise, qui a aidé à développer les simulations Renaissance. “Cependant, ils n’ont pas une résolution suffisante pour modéliser des galaxies de faible masse et de petite taille, où Renaissance et SPHINX conviendront mieux.” Les astrophysiciens, explique-t-il, utiliseront très probablement une combinaison des deux types de simulations pour interpréter les observations JWST des galaxies anciennes.
Personne ne s’attend à ce que THESAN ou toute autre simulation de l’époque de la réionisation réussisse parfaitement. “La plupart, sinon la totalité, des simulations effectuées à cette époque manquent de physique – même si THESAN est assez haute résolution, il est toujours basse résolution, par rapport aux processus physiques qui se produisent réellement”, déclare Wechsler. « Le progrès se produit lorsque les données des observatoires et les connaissances des simulations fonctionnent de concert. C’est cette interaction qui est excitante.
En fin de compte, “nous aurons besoin de plus que JWST pour confirmer l’image complète de l’évolution cosmique dans l’univers primitif”, déclare Smith. “Une variété d’instruments couvrant une large gamme de longueurs d’onde sont nécessaires pour comprendre les différents aspects de cette époque.” Il s’agit notamment de l’Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), du Square Kilometre Array (SKA), du Fred Young Submillimeter Telescope (FYST), du Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization and Ices Explorer (SPHEREx), et le prochain observatoire astrophysique phare de la NASA, le télescope spatial romain Nancy Grace. Des modèles informatiques ambitieux tels que THESAN pourraient finalement aider les scientifiques à comprendre le flot de données que ces projets apporteront.
“THESAN vise à faire des prédictions pour autant de ces observations que possible”, note Smith. “Les divergences avec les données sont souvent tout aussi excitantes car cela nous indique que nos modèles manquent, nous obligeant à reconsidérer la physique sous-jacente de ces processus complexes.”
