Nommée d’après une déesse de l’aube, la simulation thésane du premier milliard d’années aide à expliquer comment le rayonnement a façonné l’univers primitif. —

Puis, quelques centaines de millions d’années après le Big Bang, l’univers s’est réveillé, alors que la gravité rassemblait de la matière dans les premières étoiles et galaxies. La lumière de ces premières étoiles a transformé le gaz environnant en un plasma chaud et ionisé – une transformation cruciale connue sous le nom de réionisation cosmique qui a propulsé l’univers dans la structure complexe que nous voyons aujourd’hui.

Désormais, les scientifiques peuvent obtenir une vue détaillée de la façon dont l’univers a pu se dérouler au cours de cette période charnière grâce à une nouvelle simulation, connue sous le nom de Thesan, développée par des scientifiques du MIT, de l’Université de Harvard et de l’Institut Max Planck d’astrophysique.

Nommée d’après la déesse étrusque de l’aube, Thesan est conçue pour simuler « l’aube cosmique », et plus particulièrement la réionisation cosmique, une période qui a été difficile à reconstruire, car elle implique des interactions chaotiques immensément compliquées, y compris celles entre la gravité, le gaz, et rayonnement.

La simulation Thesan résout ces interactions avec le plus de détails et sur le plus grand volume de toutes les simulations précédentes. Pour ce faire, il combine un modèle réaliste de formation de galaxies avec un nouvel algorithme qui suit l’interaction de la lumière avec le gaz, ainsi qu’un modèle de poussière cosmique.

Avec Thesan, les chercheurs peuvent simuler un volume cubique de l’univers s’étendant sur 300 millions d’années-lumière. Ils font avancer la simulation dans le temps pour suivre la première apparition et l’évolution de centaines de milliers de galaxies dans cet espace, commençant environ 400 000 ans après le Big Bang, et tout au long du premier milliard d’années.

Jusqu’à présent, les simulations s’alignent sur les quelques observations que les astronomes ont de l’univers primitif. Au fur et à mesure que d’autres observations sont faites sur cette période, par exemple avec le télescope spatial James Webb récemment lancé, Thesan peut aider à placer ces observations dans un contexte cosmique.

Pour l’instant, les simulations commencent à faire la lumière sur certains processus, tels que la distance parcourue par la lumière dans l’univers primitif et les galaxies responsables de la réionisation.

“Thesan agit comme un pont vers l’univers primitif”, explique Aaron Smith, un boursier Einstein de la NASA à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT. “Il est destiné à servir de contrepartie de simulation idéale pour les installations d’observation à venir, qui sont sur le point de modifier fondamentalement notre compréhension du cosmos.”

Smith et Mark Vogelsberger, professeur agrégé de physique au MIT, Rahul Kannan du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, et Enrico Garaldi de Max Planck ont ​​présenté la simulation Thesan à travers trois articles, le troisième publié aujourd’hui dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.

Suivez la lumière

Aux premiers stades de la réionisation cosmique, l’univers était un espace sombre et homogène. Pour les physiciens, l’évolution cosmique au cours de ces premiers “âges sombres” est relativement simple à calculer.

“En principe, vous pouvez résoudre ce problème avec un stylo et du papier”, explique Smith. “Mais à un moment donné, la gravité commence à rassembler et à effondrer la matière, d’abord lentement, mais ensuite si rapidement que les calculs deviennent trop compliqués et que nous devons faire une simulation complète.”

Pour simuler pleinement la réionisation cosmique, l’équipe a cherché à inclure autant d’ingrédients majeurs de l’univers primitif que possible. Ils ont commencé avec un modèle réussi de formation de galaxies que leurs groupes ont précédemment développé, appelé Illustris-TNG, qui simule avec précision les propriétés et les populations de galaxies en évolution. Ils ont ensuite développé un nouveau code pour intégrer la façon dont la lumière des galaxies et des étoiles interagit avec et réionise le gaz environnant – un processus extrêmement complexe que d’autres simulations n’ont pas été en mesure de reproduire avec précision à grande échelle.

“Thesan suit comment la lumière de ces premières galaxies interagit avec le gaz au cours du premier milliard d’années et transforme l’univers de neutre à ionisé”, explique Kannan. “De cette façon, nous suivons automatiquement le processus de réionisation au fur et à mesure qu’il se déroule.”

Enfin, l’équipe a inclus un modèle préliminaire de poussière cosmique – une autre caractéristique unique à de telles simulations de l’univers primitif. Ce premier modèle vise à décrire comment de minuscules grains de matière influencent la formation des galaxies dans l’univers primitif et clairsemé.

Pont cosmique

Avec les ingrédients de la simulation en place, l’équipe a défini ses conditions initiales pour environ 400 000 ans après le Big Bang, sur la base de mesures de précision de la lumière relique du Big Bang. Ils ont ensuite fait évoluer ces conditions dans le temps pour simuler une partie de l’univers, en utilisant la machine SuperMUC-NG – l’un des plus grands superordinateurs au monde – qui exploitait simultanément 60 000 cœurs de calcul pour effectuer les calculs de Thesan sur un équivalent de 30 millions d’heures CPU (un effort qui aurait pris 3 500 ans pour fonctionner sur un seul bureau).

Les simulations ont produit la vue la plus détaillée de la réionisation cosmique, à travers le plus grand volume d’espace, de toutes les simulations existantes. Alors que certaines simulations modélisent sur de grandes distances, elles le font à une résolution relativement faible, tandis que d’autres simulations plus détaillées ne couvrent pas de grands volumes.

« Nous combinons ces deux approches : nous avons à la fois un grand volume et une haute résolution », souligne Vogelsberger.

Les premières analyses des simulations suggèrent que vers la fin de la réionisation cosmique, la distance que la lumière a pu parcourir a augmenté de manière plus spectaculaire que les scientifiques ne l’avaient précédemment supposé.

“Thesan a découvert que la lumière ne parcourait pas de grandes distances au début de l’univers”, explique Kannan. “En fait, cette distance est très petite, et ne devient grande qu’à la toute fin de la réionisation, augmentant d’un facteur 10 en quelques centaines de millions d’années.”

Les chercheurs voient également des indices sur le type de galaxies responsables de la réionisation. La masse d’une galaxie semble influencer la réionisation, bien que l’équipe affirme que davantage d’observations, prises par James Webb et d’autres observatoires, aideront à cerner ces galaxies prédominantes.

“Il y a beaucoup de pièces mobiles dans [modeling cosmic reionization]”, conclut Vogelsberger. “Quand nous pouvons mettre tout cela ensemble dans une sorte de machinerie et commencer à la faire fonctionner et que cela produit un univers dynamique, c’est pour nous tous un moment assez gratifiant.”

Cette recherche a été financée en partie par la NASA, la National Science Foundation et le Gauss Center for Supercomputing.