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Même si les modèles actuels de formation des galaxies et des grandes structures cosmiques se complètent de jour en jour, les processus de formation et d’évolution de ces structures demeurent extrêmement complexes et encore incertains. Pour mieux comprendre la formation et l’évolution de l’Univers depuis le Big Bang, les chercheurs du projet Illustris ont publié la simulation de l’Univers la plus détaillée à ce jour, prenant en compte des millions de galaxies, de trous noirs, de supernovas et autre phénomènes cosmiques telle que la matière noire. Les cosmologistes espèrent, à partir de cette simulation, pouvoir mieux comprendre l’évolution de l’Univers.

Une équipe internationale de physiciens a créé le modèle à grande échelle le plus détaillé de l’Univers à ce jour, une simulation appelée TNG50. Leur univers virtuel, large de 230 millions d’années-lumière, contient des dizaines de milliers de galaxies en évolution, avec des niveaux de détails jamais vus auparavant dans des modèles à une seule galaxie.

La simulation a suivi plus de 20 milliards de particules représentant la matière noire, les gaz, les étoiles et les trous noirs supermassifs, sur une période de 13.8 milliards d’années.

TNG50 : la simulation de l’Univers la plus détaillée jamais développée

La résolution et l’échelle sans précédent ont permis aux chercheurs de rassembler des informations clés sur le passé de l’Univers, révélant comment diverses galaxies aux formes étranges se sont transformées et comment des explosions stellaires et des trous noirs ont déclenché cette évolution galactique. Leurs résultats sont publiés dans deux articles à paraître dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

TNG50 est la dernière simulation créée dans le cadre du projet IllustrisTNG, qui vise à brosser un tableau complet de la façon dont notre univers a évolué depuis le Big Bang, en produisant un univers à grande échelle sans sacrifier les détails des galaxies individuelles.

reseau galaxies

Les centres des amas de galaxies massives sont très chauds (rouge), tandis que les structures lumineuses montrent un gaz diffus provenant du réchauffement du milieu intergalactique par choc thermique, à la limite des vides cosmiques et des filaments. Crédits : TNG Collaboration

« Ces simulations sont d’énormes ensembles de données où nous pouvons en apprendre beaucoup en disséquant et en comprenant la formation et l’évolution des galaxies qui les composent. Ce qui est fondamentalement nouveau à propos de TNG50, c’est que nous obtenons une résolution de masse et spatiale suffisamment élevée dans les galaxies, ce qui donne une image claire de la structure interne des systèmes tels qu’ils se forment et évoluent » déclare Paul Torrey, physicien à l’université de Floride.

TNG50 : un an de calculs pour simuler l’Univers

Le souci du détail du modèle a un coût. La simulation a nécessité 16’000 processeurs du supercalculateur Hazel Hen à Stuttgart, en Allemagne, fonctionnant de manière continue pendant plus d’un an. Le même calcul prendrait 15’000 ans avec un système à un seul processeur. Les chercheurs pensent que leur investissement est rentable, même s’il s’agit de l’une des simulations astrophysiques les plus lourdes de l’histoire en matière de calcul.

« Les expériences numériques de ce type rencontrent un vif succès lorsque vous en sortez plus que vous n’en investissez. Dans notre simulation, nous voyons des phénomènes qui n’avaient pas été programmés explicitement dans le code de simulation. Ces phénomènes émergent de manière naturelle, de l’interaction complexe des ingrédients physiques de base de notre univers modèle » explique Dylan Nelson, physicien à l’Institut Max Planck d’astrophysique de Munich.

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Une dynamique galactique conforme aux observations actuelles

Ce phénomène émergent pourrait être essentiel pour comprendre pourquoi notre univers apparaît tel qu’il est aujourd’hui, 13.8 milliards d’années après le Big Bang. TNG50 a permis aux chercheurs de voir comment les galaxies avaient pu émerger des nuages ​​turbulents de gaz présents peu après la naissance de l’Univers.

tng50 voie lactee

Voies lactées simulées : images de galaxies à disques de la simulation TNG50 en lumière visible. Pour chaque galaxie, il y a une vue de face (en haut) et une vue de bord. TNG50 a jeté un nouvel éclairage sur la façon dont les galaxies à disque comme celle-ci se forment. Crédits : TNG Collaboration

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Ils ont découvert que les galaxies en forme de disque, communes à notre voisinage cosmique, apparaissaient naturellement dans leur simulation et produisaient des structures internes, notamment des bras en spirale, des renflements et des barres partant de leurs trous noirs supermassifs centraux. Lorsqu’ils ont comparé leur univers généré par ordinateur aux observations réelles, ils ont constaté que leur population de galaxies était qualitativement conforme à la réalité.

Mieux comprendre la formation et l’évolution des galaxies

Alors que leurs galaxies continuaient à s’aplatir sur des disques en rotation bien ordonnés, un autre phénomène commençait à apparaître. Les explosions de supernova et les trous noirs supermassifs au cœur de chaque galaxie ont créé des fuites de gaz à grande vitesse. Ces flux se sont transformés en fontaines de gaz s’élevant à des milliers d’années-lumière au-dessus d’une galaxie. Le courant de gravité a ramené finalement une grande partie de ce gaz dans le disque de la galaxie, le redistribuant vers son bord extérieur et créant une boucle de rétroaction de sortie et d’entrée de gaz.

naissance galaxies

Simulation de la naissance d’un amas de galaxies, où des structures de matière noire (en blanc) fusionnent pendant que des trous noirs et des supernovae supermassifs expulsent les gaz cosmiques (le mouvement des gaz est indiqué en rouge). Crédits : TNG Collaboration

Outre le recyclage des ingrédients nécessaires à la formation de nouvelles étoiles, il a également été démontré que les flux sortants modifiaient la structure de leur galaxie. Les gaz recyclés ont accéléré la transformation des galaxies en minces disques rotatifs.

Malgré ces premiers résultats, l’équipe est loin d’avoir fini de disséquer son modèle. Les chercheurs prévoient également de publier toutes les données de la simulation pour que les astronomes du monde entier puissent étudier leur cosmos virtuel.

Cette vidéo montre la simulation TNG50 en action, centrée sur la formation d’une galaxie :

Sources : MNRAS

simulation tng50

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