Simulation cosmologique
Source: Wikipédia sous licence CC-BY-SA 3.0.
La liste des auteurs de cet article est disponible ici.

La cosmologie portant par essence sur l'origine et le devenir de l'Univers en train d'évoluer, cette discipline ne peut développer une approche expérimentale. À ce titre, une large fraction de la communauté cosmologique dédie ses efforts aux développements de simulations dites cosmologiques, dont l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et...) est de reproduire numériquement le comportement de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) sur de très grandes échelles, du Big-Bang (Le Big Bang[1] désigne l’époque dense et chaude qu’a connue l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques qui la...) à nos jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil...). Ce comportement se caractérise par l'émergence de grandes structures : filaments cosmiques, vides, halos de matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus, notamment au sujet des galaxies. Différentes hypothèses ont été émises et explorées...), amas de galaxies (Un amas de galaxies est l'association de plus d'une centaine de galaxies liées entre elles par la gravitation. En deçà de 100, on parle plutôt de groupe de...), galaxies (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...), etc.

On distingue deux grands types de simulations :

  • Les simulations de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) noire pure. Les modèles cosmologiques (ou cosmogonies) favorisés actuellement indiquent que 90% de la matière existante est sous forme de matière noire. Par conséquent, toute modélisation du processus d'émergence des grandes structures et des galaxies ne peut se faire sans reproduire correctement le comportement de cette composante invisible de la matière.
  • Les simulations dites hydrodynamiques reproduisant le comportement du 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...) à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable...), en plus de celui de la matière noire.

Simulations de matière noire pure

Les simulations de ce type sont les plus simples à mettre en œuvre, la matière noire n'intéragissant que via l'attraction gravitationnelle. D'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un...), la distribution de matière noire dans l'Univers se modifie au cours du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) sous l'effet de deux processus qui tendent à s'opposer. D'une part, les objets s'attirent les uns les autres sous l'effet de la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.). Par exemple, une sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une sphère est une surface constituée de tous les points...) de matière lâchée dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) tend à s'effondrer sur elle-même. D'autre part, l'expansion globale de l'Univers tend à séparer deux régions séparées spatialement, s'opposant à ce processus d'effondrement. Le compromis entre ces deux effets se traduit par une distribution caractéristique en bulles, similaire à celle qui est observée dans le ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.). En termes mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les nombres, les figures, les structures et les...), ces deux processus concurrents sont décrits par les équations de la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) dans un Univers en expansion, elles-même fournies par la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont fait un important...) générale. Ces équations se doivent d'être résolues numériquement afin d'étudier les régimes les plus complexes du phénomène de formation des grandes structures.

Les volumes d'univers simulés sont typiquement des cubes dont l'arrête va de la dizaine de megaparsecs (ou Mpc= 1 million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un...) de parsec) jusqu'au rayon de Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en orbite à environ 600 kilomètres d'altitude, il effectue un tour complet de la Terre toutes les 100 minutes. Il est nommé en...) (plus grande distance pouvant être parcourue par la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est...) depuis le Big-Bang, de l'ordre de 5 gigaparsecs = 5 milliards de parsec). Le schéma de fonctionnement des simulations est le suivant :

  1. Calcul de la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage...) de gravitation appliquée sur les différentes sous-régions du volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) simulé. Ces forces sont calculées à partir de la distribution de matière dans le cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables de l'espace. C'est un des cinq solides de Platon, le seul ayant exactement 6 faces, 12...) d'univers.
  2. Calcul des vitesses de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et...) des différentes sous-régions par résolution des équations dynamiques.
  3. Déplacement des sous-régions.
  4. Boucle sur la première étape.

La difficulté majeure consiste à réaliser le calcul des forces de la façon la plus efficace en termes de temps de calculs. Les algorithmes diffèrent selon que la distribution de matière noire est décrite en termes de particules ou de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau...) sur une grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un élément du tube de télévision. Une grille d'arrêt est un élément du tube de...), chacun avec leurs avantages et leurs inconvénients.

La structure élémentaire qui apparaît dans ces simulations est le halo de matière noire, à l'intérieur duquel se formeront une ou des galaxies, en accord avec les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande...). Les propriétés lumineuses des galaxies peuvent être déduites des propriétés des halos hôtes (modèles hybrides) ou directement simulées au sein de simulations plus complexes.

Simulations Hydrodynamiques

Par essence, la composante lumineuse de l'univers n'est pas modélisée dans les simulations à matière noire pure. La complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par exemple par...) de ces dernières peut être augmentée afin de prendre en compte les processus spécifiques au gaz et aux étoiles. La séquence canonique du comportement de cette matière dite baryonique (faite de baryons) est la suivante :

  1. refroidissement par rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) du gaz au sein des halos de matière noire
  2. chute du gaz au centre des halos
  3. formation des galaxies (de disques par exemple)
  4. formation d'étoiles
  5. chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) du gaz par rayonnement UV émis par les étoiles
  6. éjection de matière et choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.) du gaz par explosions d'étoiles (supernovæ)

L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) de ces processus constitue un cycle de refroidissement/chauffage du gaz qui régit l'histoire de formation d'étoiles au sein des galaxies.

Les simulations hydrodynamiques reproduisent les trois premières étapes de façon naturelle et auto-consistante en résolvant les équations de la mécanique des fluides (La mécanique des fluides est la branche de la physique qui étudie les écoulements de fluides c'est-à-dire des liquides et des gaz lorsque ceux-ci subissent des forces ou des contraintes. Elle est actuellement étendue à des...). En revanche, les processus liés à l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) 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.) sont généralement introduits via des algorithmes calibrés afin de reproduire les propriétés observées des galaxies. Les simulations participent ainsi à la compréhension des processus complexes qui interviennent dans le comportement de la matière baryonique : physique des étoiles, physique des supernovae, physique du rayonnement, dynamique des fluides (La dynamique des fluides est l'étude des mouvements des fluides, qu'ils soient liquide ou gaz. La résolution d'un problème de dynamique des fluides demande normalement de calculer diverses propriétés des fluides comme par exemple la...), etc.

Principales utilisations des simulations

  • Étude de la distribution de matière noire dans l'Univers : formation des grandes structures
  • Formation et distribution des Galaxies
  • Tests des modèles cosmologiques
  • Observations et Catalogues virtuels
Page générée en 0.266 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique