Les images sont la clé des nouvelles perspectives dans le domaine de l'astrophysique. Ces images comprennent des simulations d'événements cosmiques, que les astrophysiciens de l'UZH utilisent pour étudier comment les étoiles, les planètes et les galaxies ont vu le jour.
Lucio Mayer dit: « Le domaine de l'astrophysique aujourd'hui est à l'aube d'un âge d'or. Jamais auparavant, de si grandes quantités de données de tant de secteurs différents de l'univers n'étaient pas à notre disposition », dit-il. Le télescope spatial James Webb, par exemple, permet de voir des galaxies très éloignées dans une qualité d'image sans précédent.
« Le télescope offre de nouvelles découvertes étonnantes presque chaque semaine », explique le professeur d'astrophysique de l'UZH. L'observatoire de berbe-kilomètre carré (SKAO) construit en Australie et en Afrique du Sud est toujours en construction. Cet énorme tableau de télescope collectera plus de données que n'importe quel projet scientifique auparavant.
Comprendre l'univers
La nouvelle information rapproche de plus en plus l'astrophysique de son objectif ultime de comprendre l'univers dans son ensemble et en détail – de la genèse des étoiles à la structure du cosmos. Les astrophysiciens de UZH comme Lucio Mayer et Ravit Helled sont juste dans l'épaisseur de cette frénésie de nouvelles découvertes.
Mayer mène des recherches sur la façon dont les étoiles et les galaxies naissent, et Helled étudie la façon dont les planètes se forment. Les deux chercheurs travaillent avec des simulations informatiques qui permettent de modéliser et d'analyser comment les planètes, les étoiles et les galaxies entières se sont formées et ont évolué au fil du temps.
Les simulations nécessitent des quantités massives de puissance de calcul. Dans une compétition internationale, l'équipe de Mayer a réussi à accrocher un créneau horaire pour utiliser l'ordinateur Lumi, le supercalculateur le plus puissant d'Europe, en Finlande.
La clé du succès de Mayer est un nouveau code pour calculer les événements cosmiques. Il a fallu près de sept ans pour le développer, raconte le chercheur. Une équipe de Zurich, Bâle et du National Supercomputing Center (CSC) de Lugano est dotée de spécialistes en informatique, de science informatique, d'astrophysique et de cosmologie.
« À l'aide du supercalculateur, nous sommes en mesure de modéliser comment les planètes, les étoiles, les galaxies – en fait, l'ensemble du cosmos – sont passés à l'existence », explique Mayer. Ces simulations sont si intensives en calcul qu'elles prendraient des années si elles étaient terminées en utilisant des méthodes coutumières et une puissance de calcul conventionnelle. « Maintenant, nous pouvons les effectuer en quelques jours. »
Les nouvelles unités de traitement graphique (GPU) rendent tout possible. Ils exécutent les simulations jusqu'à 1 000 fois plus rapidement que les ordinateurs conventionnels équipés de processeurs classiques.
De vastes nuages pleins d'étoiles
Grâce à la plus grande capacité de performance, des processus beaucoup plus complexes tels que ceux qui se produisent dans des nuages moléculaires géants où des millions d'étoiles se forment peuvent être modélisés. « Cettofore n'était pas possible », dit Mayer, « mais nous pourrons le faire avec le nouveau code. Pour le moment, nous travaillons sur l'élargissement de l'échelle des modèles. »
Les nuages moléculaires géants sont particulièrement importants car c'est là que les étoiles sont originaires. « Si nous pouvons simuler des nuages moléculaires géants, nous pouvons reconstruire comment la formation des étoiles se déroule dans toute une galaxie », explique Mayer. Les étoiles qui naissent et forment des grappes stellaires dans des endroits spécifiques dans une galaxie jouent un rôle crucial dans la vie de cette galaxie. Ils libèrent de l'énergie qui affecte l'évolution future de la galaxie.
L'étape de simulation avec l'ordinateur Lumi est récemment terminée. « Maintenant, nous commençons à jeter un œil aux propriétés des nuages dans lesquels les étoiles sont situées », explique Mayer. Les simulations permettent aux astrophysiciens de regarder les différentes étapes de la genèse stellaire et de déterminer leur ordre chronologique précis.
« Nous voyons ce qui s'est passé et quand cela s'est produit », explique Mayer. Les résultats sont ensuite comparés aux données des grands télescopes pour vérifier si les résultats des simulations correspondent à ce qui est visible dans l'univers. S'ils ne correspondent pas, les modèles et les calculs doivent être ajustés.
Mayer décrit cela comme un « dialogue » visant à expliquer aussi précisément que possible comment les étoiles et les galaxies sont originaires et évolués. Une simulation spectaculaire réalisée par le groupe de recherche de Mayer décrit les premières galaxies et grappes d'étoiles qui se sont formées dans l'univers. La simulation reconstruit la façon dont ces galaxies, qui ont été récemment découvertes par le télescope spatial James Webb, ont vu le jour.
Des simulations de ce type prenaient des mois et parfois des années à jouer. Mais par la suite, dit Mayer, il était assez facile d'analyser les données résultantes car les ensembles de données étaient faibles. « Nous pourrions le faire sur nos ordinateurs portables », raconte-t-il. Aujourd'hui, c'est entièrement différent: les simulations s'exécutent beaucoup plus rapidement et fournissent de grandes quantités de données à analyser. L'intelligence artificielle est spécifiquement formée et employée pour ce faire.
« Le Swiss Data Science Center possède une expertise dans l'IA et l'apprentissage automatique et collabore avec notre équipe pour développer de nouvelles méthodes pour analyser les résultats des simulations », explique Mayer.
Les simulations de ce type sont des expériences de laboratoire astrophysiques qui tentent de reproduire et de reconstruire les processus cosmiques parce que lorsque l'on regarde l'univers, on ne voit qu'un instantané dans le temps mais ne sait pas comment cela s'est produit.
« Nous essayons de travailler en arrière pour comprendre comment les grappes stellaires, les galaxies et en effet l'univers entier ont vu le jour et pourquoi l'univers est la façon dont il est aujourd'hui », explique Mayer. « Quand je compare mes simulations avec le vrai univers, j'aimerais pouvoir dire: » D'accord, la galaxie que je peux créer ressemble en réalité en réalité. « »
Lucio Mayer recherche comment les galaxies et les stars ont vu le jour. L'énergie des étoiles et des grappes stellaires affecte l'évolution des galaxies. Et les planètes se forment autour d'étoiles. Ravit Helled mène des recherches sur la façon dont les planètes sont originaires. Le professeur d'astrophysique de l'UZH travaille également avec des modèles et des simulations. Comme dans les travaux de recherche de Mayer, ils servent à combler les lacunes dans les connaissances laissées ouvertes par l'observation télescopique.
« Nous voyons des disques protoplanétaires et nous voyons les planètes d'aujourd'hui, mais nous ne voyons pas ce qui se passe entre les deux », dit Helled.
Helled souligne que certaines des simulations générées par les modèles développées par elle sont visuellement moins spectaculaires que celles créées par Mayer. Mais ils sont particulièrement bien adaptés pour illustrer les processus physiques de base qui ont lieu pendant la formation planétaire.
Et Helled n'est pas moins enthousiaste que Mayer lorsqu'elle parle de ses recherches. Elle veut comprendre comment les planètes se forment et pourquoi elles diffèrent les unes des autres. Les planètes naissent du gaz et de la poussière dans des disques protoplanétaires rotatifs qui entourent les jeunes étoiles. Leur diversité s'explique par les conditions initiales variables – telles que la température, la densité, la composition et la distribution de la matière – qui prévalent dans les disques protoplanétaires.
Petits changements avec un grand effet
De légères variations dans les conditions de formation donnent naissance à des planètes très différentes, comme nous pouvons observer dans notre propre système solaire, où il y a des planètes terrestres comme la Terre, le mercure, les Vénus et Mars qui sont relativement petites et ont une surface solide et rocheuse. Il y a aussi des géants de gaz et de glace – Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune – principalement composés d'hydrogène et d'hélium. Ils n'ont pas de surface solide et sont beaucoup plus grands que les planètes terrestres. « Avec nos modèles, nous sommes en mesure de montrer comment même les moindres changements affectent la formation planétaire », explique Helled.
Dans ses recherches, l'astrophysicien arrive à des conclusions remarquables qui remettent en question les théories existantes. Par exemple, les géants de la glace Uranus et Neptune diffèrent considérablement les uns des autres malgré de nombreuses similitudes. Uranus a une inclinaison axiale extrême et a des satellites réguliers, pas de source de chaleur interne et une plus grande densité, tandis que Neptune a des lunes irrégulières et possède une source de chaleur intérieure. Neptune a également une distribution de densité différente.
Comment ont produit ces différences? Grâce à des simulations, Helled a découvert une explication possible: elle a modélisé ce qui se passe lorsqu'un grand corps céleste entre en collision avec une jeune planète. Les occurrences perturbatrices de ce genre pourraient expliquer pourquoi Uranus et Neptune sont si différents les uns des autres aujourd'hui.
Dans la simulation d'Uranus, une collision de regard est la cause conduisant à l'inclinaison axiale de la planète, au disque satellite et à la structure interne. Dans le cas de Neptune, une collision frontale peut avoir affecté la structure intérieure et le profil énergétique de cette planète.
Résoudre un puzzle
Les colosités colossales de ce type expliqueraient également pourquoi Uranus et Neptune ont formé la façon dont ils l'ont fait dans leur place dans le système solaire, car selon la théorie classique, il est improbable qu'ils ont vu le jour sous cette forme actuelle.
« Cela nous montre comment certains événements peuvent modifier l'évolution des planètes et les éliminer de leur orbite attendue », explique Helled. Et cela montre à quel point les simulations peuvent être utilisées de manière gratifiée. « Expliquer comment Uranus et Neptune ont vu le jour dans leur forme actuelle était un puzzle et un défi pour la science pendant des années. »
Cette déclaration s'applique également à Jupiter. Cette planète possède un noyau flou sans frontière nette. Les simulations de Helled suggèrent qu'ici aussi, une formidable collision avec un autre corps céleste pendant la première formation de Jupiter peut expliquer ce phénomène. L'impact rompt partiellement le cœur de la planète, mais il réagit ensuite relativement rapidement.
La modélisation des simulations de ce type est une entreprise difficile. Helled dit: « Les processus cosmiques sont divers et complexes, et il y a tellement de paramètres qui doivent être pris en compte. » C'est pourquoi de nombreuses itérations sont exécutées avec différentes variables, ajoute-t-elle. « Ensuite, vous voyez le résultat, et c'est parfois très surprenant. » Les surprises de ce genre rendent le travail fascinant pour Helled.
La recherche menée par Ravit Helled et Lucio Mayer illustre la façon dont de nouvelles informations spectaculaires peuvent être acquises grâce à des simulations. « C'est vraiment une période passionnante », dit Mayer, « surtout pour les étudiants. Je leur dis qu'ils ont choisi un grand moment pour faire des recherches dans ce domaine. »
