Grâce à un supercalculateur et après dix ans de développement, des chercheurs de l’université de Leyde ont simulé la formation des premières galaxies avec un niveau de réalisme encore jamais atteint. Pour y parvenir, ils ont intégré deux composantes absentes des simulations précédentes : le gaz interstellaire froid, principal milieu où naissent les étoiles, et les grains de poussière cosmique, qui protègent ce gaz, facilitent la formation de molécules et influencent fortement l’apparence des galaxies dans les observations télescopiques.
Comment les premières galaxies de l'univers se sont-elles formées à partir d'un plasma chaud et ionisé, dans les quelques centaines de millions d'années qui ont suivi le Big Bang ? Il n'y a aucun doute sur le fait que ce phénomène s'est réellement produit, mais aucun consensus n'existe non plus sur le déroulé précis de cette longue transition.
Cette époque est trop lointaine ; les chercheurs ne peuvent donc pas l'observer avec nos instruments, même les plus puissants. C'est pourquoi les cosmologistes s'en remettent aux simulations numériques : des univers virtuels construits à partir des lois de la physique fondamentale, qu'on laisse évoluer depuis le Big Bang jusqu'à nos jours.
Depuis les premières grandes simulations des années 1990, ces modèles peinaient à reproduire fidèlement ce que nos télescopes observent aujourd'hui. Heureusement, James Webb nous a beaucoup appris en offrant enfin des données réelles permettant de contraindre davantage les modèles, souvent trop simplistes. Malgré cela, tous ces modèles partageaient la même faiblesse : le gaz froid et la poussière cosmique étaient soit absents, soit fortement simplifiés dans les calculs, alors qu'ils sont les matières premières à partir desquelles les étoiles se forment.
Près de dix ans ont été nécessaires pour remédier à ce manque. Le projet COLIBRE, conduit par une équipe internationale dirigée par l'université de Leyde et publié dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, est la première simulation à grande échelle à intégrer ces deux composantes. Sans elles, toute comparaison avec les observations réelles était à peu près impossible.
COLIBRE : l’une des simulations les plus avancées de l’Univers
Si la poussière cosmique et le gaz froid interstellaire n'étaient pas intégrés ou fortement simplifiés dans les anciennes simulations, c'est qu'ils nécessitaient une puissance de calcul délirante, qu'aucun supercalculateur ne pouvait délivrer. De plus, les modèles précédents imposaient au gaz galactique une limite thermique artificielle de 10 000 kelvins, là encore car les machines manquaient de puissance brute.
Un plafond problématique, puisque les étoiles ne naissent pas dans un gaz aussi chaud ; elles se forment dans des nuages moléculaires denses et froids, à quelques dizaines de kelvins à peine. Simuler un univers sans pouvoir représenter ce froid nous contraignait ainsi à produire des résultats qui, bien que mathématiquement cohérents, étaient difficiles à réconcilier avec les observations des télescopes.
Grâce à COLIBRE, certaines de ces limites ont été franchies. Il est désormais possible de modéliser convenablement la poussière galactique, en trois types et en deux tailles différentes. Certains grains favorisent la formation de molécules d'hydrogène sans lesquelles aucun nuage moléculaire ne peut se constituer, d'autres protègent le gaz froid des rayonnements ultraviolets qui le détruiraient, d'autres encore absorbent la lumière optique des jeunes étoiles pour la réémettre dans l'infrarouge. Cela permet ainsi de reproduire des galaxies virtuelles plus proches des observations de James Webb, tout en respectant la physique de l'univers.
Intégrer tous ces nouveaux « ingrédients » a nécessité une puissance qu'aucun autre modèle n'avait jamais demandé. COLIBRE regroupe en réalité plusieurs simulations de tailles et de résolutions différentes. Pour vous donner un ordre d'idée, la plus grande a nécessité 72 millions d'heures de calcul effectuées en parallèle sur des dizaines de milliers de cœurs du supercalculateur COSMA8, hébergé à l'université de Durham. Si l'on avait confié la tâche à un processeur lambda, tournant sans interruption, cette même simulation aurait pris plus de 8 000 ans !
COLIBRE et la validité du modèle standard de l’Univers
En sortie de simulation, les galaxies générées par COLIBRE sont beaucoup plus proches de celles qu'on observe dans le ciel réel, que ce soit en termes de nombre, de luminosité, de couleur ou de taille. Pour Carlos Frenk, professeur de physique fondamentale à l'université de Durham et membre central de l'équipe, le bond technologique est stupéfiant : « C'est une sensation exaltante de voir des galaxies sortir de notre ordinateur, presque impossibles à distinguer des vraies, et qui partagent les propriétés que les astronomes mesurent dans les données réelles. Ce qui est plus remarquable encore, c'est que nous y parvenons en résolvant simplement les équations de la physique dans un univers en expansion », explique-t-il. Ces simulations peuvent être transformées en séquences visuelles, comme vous pouvez le voir ci-dessous.
Un véritable succès, qui a fortement influencé l'un des débats qui agitait la communauté scientifique depuis les premières observations de James Webb. Le télescope avait détecté des galaxies massives dans un univers beaucoup plus jeune qu'anticipé, ce que certains interprétaient comme une mise en tension du modèle cosmologique standard (le modèle ΛCDM), qui décrit la composition et l'évolution de l'univers depuis le Big Bang.
Selon ce dernier, dans un univers jeune, la matière n'a pas encore eu le temps de s'agglomérer en galaxies massives. En détectant celles-ci où elles n'auraient pas dû exister, James Webb semblait donc prendre le modèle ΛCDM en défaut. Certains théoriciens y voyaient le signe qu'il y avait une faille monumentale dans notre compréhension du cosmos et que le modèle ΛCDM était une version trop simpliste de la réalité.
COLIBRE, en intégrant les nouvelles variables énoncées en première partie, parvient à reproduire de manière cohérente ces galaxies massives précoces que James Webb avait détectées, sans modifier une seule ligne du modèle ΛCDM.
Dans les anciennes simulations, comme le gaz galactique était maintenu artificiellement trop chaud pour former des étoiles efficacement, les galaxies simulées mettaient donc plus de temps à accumuler de la masse stellaire. Lorsque l'univers était encore dans un âge précoce, elles apparaissaient donc bien plus petites et sombres qu’elles ne le sont en réalité.
En maintenant le gaz galactique artificiellement chaud, les anciennes simulations lui interdisaient physiquement de s'effondrer sur lui-même, alors que c'est l'effondrement gravitationnel qui déclenche la formation des étoiles. Un gaz chaud se dilate, résiste à la gravité, et ne forme pas d'étoiles. Un gaz froid, dense, se contracte sous son propre poids jusqu'à ce que la pression et la température en son cœur atteignent le seuil d'ignition nucléaire. En modélisant ce processus correctement, COLIBRE montre que les écarts avec les observations du télescope spatial James Webb peuvent être en grande partie résolus en améliorant la physique des simulations, sans remettre en cause le cadre du modèle ΛCDM.
Aussi puissant soit-il, COLIBRE ne répond pas encore à toutes nos interrogations, notamment les fameux « petits points rouges » (Little Red Dots), détectés par James Webb en 2024. Leur origine est encore largement débattue. Trous noirs supermassifs bien cachés ou populations d'étoiles ultra-denses ? Nous ne savons toujours pas, mais leur formation implique vraisemblablement une ou plusieurs variables physiques que COLIBRE n'intègre pas encore. Toutefois, cela ne viendra pas ternir les lauriers de l'équipe qui l'a développé : pour la première fois, un modèle reproduit la naissance et l’évolution des galaxies depuis le Big Bang jusqu’à aujourd’hui, à un niveau de réalisme et de précision encore jamais atteint dans ce type de simulation. Ce qui est, convenons-en, un bond en avant que peu de projets scientifiques de cette envergure ont réussi à accomplir.
Source : Science Alert
