À quoi ressemblait l'Univers quand les premières étoiles et galaxies sont apparues ? Des chercheurs ont tenté de remonter le temps grâce à une immense simulation informatique.
Leur projet, baptisé Lumina, raconte les deux premiers milliards d'années de l'histoire de l'Univers. Le calcul commence environ 45 millions d'années après le Big Bang, à une époque où les étoiles n'avaient pas encore illuminé l'espace. Il suit ensuite la formation des premières galaxies et leur évolution.
Visualisation de la structure de la matière et des régions ionisées de l'Univers dans la simulation Lumina.
Crédit : collaboration Lumina.
L'échelle donne le vertige. La zone étudiée mesure environ 1,6 milliard d'années-lumière de côté. Dans cet espace gigantesque, l'ordinateur suit les déplacements du gaz, les effets de la matière noire, la naissance des étoiles et la lumière qu'elles produisent. Au total, les chercheurs ont utilisé près de 500 milliards de petits éléments de calcul.
Au départ, la matière est répartie de façon presque uniforme. Peu à peu, la gravité rassemble le gaz et la matière noire. Des régions plus denses se forment, puis donnent naissance aux galaxies. La simulation permet de regarder cette évolution à grande échelle ou de s'approcher d'une galaxie particulière.
Les chercheurs ont aussi voulu comprendre comment l'Univers est devenu transparent à une grande partie de la lumière. Après la formation des premiers atomes, l'espace était rempli d'hydrogène qui absorbait certaines lumières. Les premières étoiles ont émis assez de rayonnement pour transformer progressivement ce gaz et permettre à la lumière de voyager plus librement.
Carte des variations de matière ordinaire et de matière noire dans les conditions initiales de la simulation Lumina. Les lignes blanches montrent les mouvements relatifs des deux composantes.
Crédit : collaboration Lumina.
Un phénomène semblable a ensuite touché l'hélium. D'après les calculs, ce sont surtout les trous noirs géants actifs, présents au centre de certaines galaxies, qui ont fourni la lumière très énergétique nécessaire. Lumina permet d'étudier ces deux grandes transformations dans une même simulation.
Pour réaliser ce travail, les scientifiques ont utilisé Frontier, l'un des supercalculateurs les plus puissants au monde. Ils ont également publié des vidéos montrant la formation des galaxies et l'évolution du gaz à travers l'espace.
Ces images représentent ce que les lois de la physique et les connaissances actuelles permettent de calculer. Les chercheurs pourront maintenant comparer leurs résultats aux observations du télescope James-Webb et d'autres instruments, afin de voir si leur reconstitution correspond à l'Univers réel.