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Posté par Redbran le Jeudi 29/06/2017 à 00:00
Le projet Sphinx, la réionisation après le Big Bang
Simuler l’époque de réionisation sur les plus grands ordinateurs européens.

Une équipe internationale menée par un chercheur du CRAL a obtenu 13,7 millions d’heures de calcul PRACE pour simuler la réionisation de l’Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) par les premières galaxies.

L’époque de la réionisation (EoR) est l’un des chapitres les plus fascinants de l’histoire de l’Univers. Elle commence quelques centaines de millions d’années après le Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des...), quand les premières étoiles se forment, et, en s’allumant, mettent fin à ce qu’on appelle les âges sombres. Rapidement, ces premières étoiles cèdent la place aux premières générations de galaxies, qui émettent bientôt assez de lumière ultraviolette pour ioniser et réchauffer tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme...) intergalactique. Bien que les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens...) nous montrent sans ambiguïté que l’Univers dans son ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble),...) était réionisé environ un milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999 999) et...) d’années après le Big Bang, les théoriciens ont encore du mal à proposer une explication complètement cohérente de ce processus. La difficulté majeure dans ce domaine vient de la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) des échelles impliquées.

Le rayonnement ionisant (Un rayonnement ionisant est un rayonnement qui produit des ionisations dans la matière qu'il traverse. Pour les rayons ionisants, il y a beaucoup d'usages pratiques, mais ces rayons sont aussi dangereux pour la santé humaine. Les...) est produit par les étoiles massives, et sa capacité à sortir des galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux autres Galaxie,...) pour ioniser l’Univers est déterminée par la distribution du gaz dense dans le voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les...) immédiat de ces étoiles, sur des échelles de quelques dizaines d’années lumières. Dès que ce rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) s’échappe, toutefois, il se propage à travers le milieu intergalactique essentiellement vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), en parcourant des millions d’années lumières. Jusque récemment, il n’existait aucune méthode numérique qui pouvait aborder ces deux régimes de manière cohérente. Les chercheurs avaient donc recours soit à des simulations de galaxies individuelles, qui résolvaient la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien,...) aux petites échelles, soit à des simulations de grands volumes d’Univers dans lesquelles les galaxies étaient à peine résolues.


Cette image est extraite d’une simulation pilote du projet Sphinx (Le Sphinx est une créature fantastique présente dans plusieurs traditions mythologiques, notamment :). Elle montre comment les bulles d’ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant des charges n'est plus neutre électriquement. Il...) s’étendent autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit...) des premières génération, entre 530 (à gauche) et 740 (à droite) millions d’années après le Big Bang. Le code de couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) indique la température du gaz. Le bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise...) foncé correspond à du gaz froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.), autour de 100 degrés Kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et...), constitué principalement d’hydrogène neutre. Le bleu clair montre les bulles de gaz tiède (quelques 10,000 degrés Kelvin) qui a été chauffé et ionisé par le rayonnement ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde intermédiaire entre celle de la lumière visible et celle des rayons X.) des étoiles. Les régions jaune-rouge montrent du gaz très chaud lié aux vents galactiques produits par les explosions de supernovae. Un milliard d’années après le Big Bang, les bulles bleu-clair finissent par remplir tout l’univers, le laissant dans l’état ionisé dans lequel il est depuis lors. Simulation réalisée par J. Rosdahl au LIO/CCF

Récemment, un chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et...) du Centre de Recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) Astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des...) de Lyon (CNRS/ENS Lyon/Université Claude Bernard) et un scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la...) de l'Université de Cambridge ont développé une nouvelle méthode numérique qui résout ce problème et représente une percée majeure dans le domaine. Leur algorithme permet de propager le rayonnement dans des simulations cosmologiques à toutes les échelles: depuis les sites de formation d’étoiles, où les bulles d’ionisation croissent lentement du fait de la grande densité du gaz, jusqu’au milieu intergalactique, dans lequel la très faible densité du gaz leur permet de s’étendre à la vitesse (On distingue :) de la lumière. En utilisant le super-ordinateur Common Computing Facility (CCF) du LabEx LIO, J. Rosdahl et H. Katz ont pu tester leur méthode et réaliser une première série de simulations pilotes qui ont montré son succès.

J. Rosdahl (CRAL) a alors constitué et mené une équipe de chercheurs de premier plan au niveau international, du CRAL, de l’Université de Cambridge, de l’Université de Strasbourg, et de l’Université de Zurich, pour construire le projet Sphinx et demander du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de calcul sur les plus puissants ordinateurs d’Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme...) via Partnership For Advanced Computing In Europe (PRACE, call 14

Cette demande de temps a été la seule demande en astrophysique portée par un institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est...) français qui soit récompensée cette année, et l’équipe de J. Rosdahl a reçu 13,7 millions d’heures (L'heure est une unité de mesure  :) sur le super-ordinateur allemand SuperMUC pour réaliser les simulations proposées.

Les simulations prendront quelques mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) (en temps réel) pour tourner sur 10,000 coeurs en parallèle, et les premiers résultats scientifiques sortiront fin 2017. Parmi les questions nombreuses qui seront abordées par ce projet, les chercheurs du CRAL espèrent comprendre quelles galaxies sont principalement responsables de la réionisation de l’Univers, comment des modèles légèrement différents d’émission stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces réparties à travers le monde.) affectent le processus de réionisation, et dans quelle mesure le réchauffement du milieu intergalactique inhibe la formation des galaxies.


Pour en savoir plus:
- Consulter l'article du CRAL

Contact chercheur:
Joakim ROSDAHL, CRAL (CNRS/Université Claude Bernard/ENS Lyon)

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Source: CNRS-INSU