Comprendre comment l’Univers évoluera est un défi de taille, car ces transformations se déroulent sur des échelles de temps qui dépassent largement la durée d’une vie humaine. Les simulations constituent donc le moyen privilégié pour entrevoir ces évolutions. Une étude menée début novembre décrit comment une équipe de recherche a orchestré la simulation astrophysique la plus vaste à ce jour, exploitant la remarquable puissance du supercalculateur Frontier.
Inauguré en 2022, le supercalculateur Frontier, basé au Oak Ridge National Laboratory (États-Unis), représente une avancée majeure en matière de calcul haute performance. Grâce à ses processeurs AMD EPYC et à ses accélérateurs graphiques AMD Instinct, il est capable d’effectuer des calculs complexes d’une ampleur inégalée. Sa performance exceptionnelle le classe parmi les systèmes les plus rapides au monde, intervenant dans des domaines aussi variés que la physique, la climatologie et la biologie. Jusqu’à récemment, Frontier détenait le titre de supercalculateur le plus puissant de la planète, avant d’être supplanté par El Capitan, mis en service en 2024.
Frontier est régulièrement mobilisé pour des simulations d’une grande complexité. Dans le cadre du projet ExaSky, dirigé par des chercheurs du laboratoire national d’Argonne, il a permis de réaliser ce que les scientifiques qualifient de « la plus grande simulation astrophysique jamais entreprise ». Cette avancée promet de révéler une compréhension approfondie de la structure et de l’évolution de l’Univers, offrant aux chercheurs la possibilité de tester, valider ou réfuter divers modèles théoriques cosmologiques. Pour illustrer l’ampleur de cette simulation, les chercheurs précisent qu’elle englobe des régions de l’Univers aussi vastes que celles scrutées par les plus grands télescopes. Un exploit jamais réalisé jusqu’ici.
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Modélisation conjointe de la matière conventionnelle et de la matière noire
Selon les chercheurs, les calculs effectués avec Frontier servent de socle pour modéliser simultanément la matière conventionnelle et la matière noire. Ils expliquent que pour une compréhension adéquate des dynamiques de l’Univers, les simulations doivent inclure ces deux éléments.
« Pour comprendre l’Univers, nous devons simuler ces deux composantes », a affirmé Salman Habib, chef de projet et directeur de la division des sciences informatiques au Laboratoire National d’Argonne, dans un communiqué de l’Oak Ridge National Laboratory. La matière noire, pour mémoire, est une forme hypothétique de matière, invisible car elle n’émet ni ne réfléchit la lumière, déduite uniquement par ses effets gravitationnels. La matière conventionnelle, quant à elle, comprend tout ce qui est observable et composé d’atomes : étoiles, planètes, gaz interstellaires, etc.
Jusqu’à présent, les scientifiques, lorsqu’ils simulaient de vastes portions de l’Univers, devaient se contenter d’approximations basées uniquement sur la gravité. Ces calculs permettent désormais d’intégrer d’autres forces physiques pour obtenir des résultats couvrant des milliards d’années d’expansion, selon Habib.
Un volume de 311 296 mégaparsecs cubes
La vidéo de démonstration publiée par l’équipe ne représente qu’un minuscule 0,001 % du volume total simulé par ExaSky. Elle permet néanmoins d’entrevoir l’immensité de la simulation. Les dimensions évoquées couvrent un volume de 311 296 mégaparsecs cubes (pour mémoire, 1 mégaparsec équivaut à environ 3,26 millions d’années-lumière). On y découvre un amas massif de galaxies en formation et agrégation.
Ce succès est le fruit de plusieurs années d’efforts. Le code de simulation HACC (pour Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code) a été conçu il y a 15 ans et a bénéficié depuis de nombreuses améliorations. Ces efforts ont permis à HACC de fonctionner sur des supercalculateurs puissants capables d’effectuer plus d’un milliard de milliards de calculs par seconde, notamment ceux utilisant des accélérateurs graphiques (GPU) pour accroître leur capacité de calcul. Sur Frontier, HACC a fonctionné près de 300 fois plus vite que les exécutions précédentes de référence sur d’autres supercalculateurs.
Aperçu vidéo de la simulation réalisée avec Frontier :
Une galaxie est une grande structure cosmique composée d'un
assemblage d'étoiles, de gaz et de poussières. Il en existe
plusieurs types, classés selon leur masse et leur morphologie,
formées à différentes... [...]