C’est un rêve un peu fou. L’un de ces songes d’astrophysicien dont on avait du mal à croire qu’il puisse un jour devenir réalité. Et pourtant ! Des chercheurs du CEA, du CNRS et d’universités viennent de réaliser cet exploit : reproduire sur un ordinateur l’histoire de la moitié de l’Univers !
L’équipe du « Projet Horizon »¹, dirigée par Romain Teyssier, chercheur au Service d’astrophysique (CEA/Dapnia) à Saclay², a développé et exécuté un code de calcul capable d’évaluer l’effet de la gravitation sur la « matière noire », cette mystérieuse substance sous la forme de laquelle se trouverait l’essentiel de la masse de l’Univers. En faisant tourner durant deux mois ce programme sur les 6 144 processeurs du supercalculateur Bull du Centre de calcul recherche et technologie (CCRT) du CEA, elle vient de produire un film étonnant : une énorme simulation, portant sur la moitié de l’Univers observable, et montrant comment cette étrange entité s’est organisée pour donner naissance aux grandes structures du cosmos.
Avec l’augmentation de la puissance des ordinateurs, les astrophysiciens disposent désormais des outils de calcul nécessaires pour simuler l’évolution de l’Univers dans sa globalité. Partant de ce constat, un groupe de chercheurs français s’est attaqué voici quelques années à l’élaboration d’un algorithme adapté à cette tâche. Baptisé Ramses, ce logiciel sophistiqué permet de simuler en un même temps les trajectoires de milliards d’unités élémentaires de matière noire, à partir des données fournies par la sonde WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). En relevant depuis 2001 les fluctuations du « fond diffus cosmologique » – ce rayonnement électromagnétique qui aurait été émis à une époque où l’Univers était dense et chaud, il y a 13 milliards d’années –, ce satellite de la Nasa a en effet été à l’origine d’une petite révolution : il a permis aux scientifiques de se faire une idée assez précise de la répartition de la matière noire dans le cosmos, à une époque où celui-ci était encore jeune, âgé de 400 000 ans. « Il était donc tentant d’essayer de faire “évoluer” cette carte en résolvant numériquement les lois de Newton sur la gravitation, puis de comparer cet Univers “vieilli” artificiellement aux observations des télescopes, raconte Christophe Pichon, chercheur à l’Institut d’astrophysique de Paris³. Cela permettrait en effet d’en déduire des informations sur les propriétés de la matière noire ou sur la façon dont les forces agissant aux grandes échelles ont structuré l’espace dans le passé pour créer les étoiles, les galaxies et les amas… ».

C’est exactement ce qu’ont fait les chercheurs du « Projet Horizon ». Au final, leur programme informatique fonctionne en trois temps. Dans une première étape, cet algorithme découpe la carte tridimensionnelle de l’Univers, en « mailles », elles-mêmes « subdivisibles » en d’autres plus petites si la densité de matière noire qu’elles contiennent dépasse une certaine valeur. Dans une seconde phase, ce logiciel calcule la manière dont chacune des unités élémentaires de la substance inconnue se déplace sous l’effet de la gravitation. Avant, enfin, dans la troisième, de tout recommencer. En répétant cette opération un très grand nombre de fois, les astrophysiciens réussissent ainsi à faire évoluer pas à pas leur « Univers » depuis l’époque des origines jusqu’à nos jours. Ce calcul, représentant pas moins de mille ans de travail sur un PC, prenant en compte 70 milliards de « particules » réparties dans plus 140 milliards de mailles, a au final abouti à un atlas indiquant la répartition actuelle de la matière noire jusqu’à des distances de 6 milliards d’années-lumière. Une titanesque carte à trois dimensions ! Les chercheurs en ont tiré des vues qu’ils espèrent comparer un jour avec les observations de la future sonde Dune, une mission de l’Agence spatiale européenne actuellement à l’état de projet.

Vahé Ter Minassian