✨ Cette simulation de l'Univers se confond avec la réalité

Des galaxies sorties tout droit d'un ordinateur pourraient-elles tromper les astronomes les plus aguerris ? C'est pourtant le cas avec la simulation COLIBRE, dont les galaxies virtuelles sont si réalistes qu'elles se confondent avec celles photographiées par le télescope spatial James Webb.

Cette prouesse informatique repose sur le modèle standard de la cosmologie, dit Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM - ou LCDM). Les chercheurs ont fait tourner le supercalculateur COSMA8 de l'université de Durham pour modéliser la formation des galaxies à partir de gaz froid et de poussière, depuis les premiers milliards d'années après le Big Bang jusqu'à aujourd'hui. Le résultat est une reproduction sans précédent de l'Univers observable.


La grande innovation de COLIBRE est de savoir simuler le gaz froid et la poussière, éléments clés de la formation des étoiles. Les simulations antérieures ignoraient cette composante essentielle. Aujourd'hui, les scientifiques reproduisent avec précision le nombre, la luminosité, la couleur et la taille des galaxies réelles, validant ainsi notre compréhension de l'évolution cosmique.

"C'est exaltant de voir des galaxies sortir de notre ordinateur et ressembler à s'y méprendre aux vraies", s'enthousiasme Carlos Frenk, membre de l'équipe. Il aime taquiner ses collègues observateurs en leur demandant de deviner quelle image provient du ciel et laquelle de la simulation. Tout cela, simplement en résolvant les équations de la physique appliquées à l'expansion cosmique.

Toutefois, même cette simulation très aboutie bute sur une anomalie: les "petits points rouges" observés par James Webb. Ces objets apparaissent en abondance 600 millions d'années après le Big Bang, puis disparaissent quand l'Univers a environ 1,5 milliard d'années. Peut-être s'agit-il de graines de trous noirs supermassifs, mais COLIBRE ne les reproduit pas encore.

Les résultats de COLIBRE ont été publiés dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Bien que la plupart des simulations se soient achevées en 2025, certaines se poursuivent. Les données déjà recueillies prendront des années à analyser, ouvrant la voie à de futures découvertes sur la naissance et l'évolution des galaxies.

Le modèle standard de la cosmologie (ΛCDM)

Le modèle ΛCDM, pour Lambda Cold Dark Matter, est la théorie dominante décrivant l'Univers. Il suppose que l'Univers est composé d'environ 5 % de matière ordinaire, 27 % de matière noire froide et 68 % d'énergie noire (représentée par la constante cosmologique Lambda 'Λ'). Ce modèle explique avec succès l'expansion accélérée de l'Univers, la formation des grandes structures comme les galaxies, et le rayonnement fossile du Big Bang. COLIBRE utilise ce cadre pour simuler l'évolution cosmique sur 13 milliards d'années.

La matière noire froide, invisible mais détectable par ses effets gravitationnels, joue un rôle central. Elle a servi de "squelette" pour la formation des premières galaxies. L'énergie noire, quant à elle, accélère l'expansion de l'Univers. Le modèle ΛCDM a été maintes fois confirmé par les observations, mais il reste des questions, notamment sur la nature exacte de la matière noire et de l'énergie noire. Les simulations comme COLIBRE aident à tester ses prédictions.

En reproduisant fidèlement les propriétés des galaxies observées, COLIBRE apporte une nouvelle validation au modèle ΛCDM. Cependant, l'incapacité à expliquer les "petits points rouges" pourrait indiquer des lacunes dans notre compréhension, comme des processus liés aux trous noirs primordiaux. Les cosmologistes continuent donc d'affiner le modèle à l'aide de superordinateurs.

Les "petits points rouges" et les graines de trous noirs

Les "petits points rouges" sont des objets compacts et rouges observés par le télescope spatial James Webb dans l'Univers jeune, environ 600 millions d'années après le Big Bang. Ils apparaissent en grand nombre pendant une courte période, puis disparaissent totalement lorsque l'Univers atteint environ 1,5 milliard d'années. Leur nature exacte est inconnue, mais une hypothèse avance qu'il s'agit de graines de trous noirs supermassifs en formation.

Ces graines seraient des trous noirs primordiaux, nés de l'effondrement direct de nuages de gaz massifs. Ils pourraient ensuite croître rapidement pour devenir les trous noirs supermassifs que l'on observe au centre des galaxies aujourd'hui. Leur couleur rouge viendrait de la poussière qui obscurcit leur lumière, et leur petite taille apparente serait due à leur distance. Mais d'autres explications existent, comme des galaxies naines très poussiéreuses.

Les simulations COLIBRE ne parviennent pas à reproduire ces objets, ce qui indique que les modèles actuels de formation des galaxies et des trous noirs sont incomplets. Pour résoudre cette énigme, les chercheurs devront peut-être inclure des processus physiques supplémentaires, comme les rétroactions des trous noirs ou une formation d'étoiles plus intense.