Mieux comprendre les constituants élémentaires de l’Univers, tel est le but de la simulation Extreme Horizon.
En simulant un grand volume d’Univers avec une précision inégalée, cette simulation numérique est indispensable à l’interprétation
des données issues des plus grand télescopes.
Cette simulation « grand challenge » a été conduite sur la nouvelle architecture du Très Grand Centre de calcul du CEA par une collaboration
menée par des chercheurs de trois départements de l’IRFU.
La matière visible ne constitue que 16% de la masse totale de l'Univers. L'essentiel est formé d'une
composante invisible, la matière noire. Matière noire et visible ne constituent pour autant que 30%
du contenu énergétique de l'univers, dont 70% prend la forme d'énergie noire, responsable de
l'expansion accélérée de l'Univers. Pour comprendre la nature de la matière et de l'énergie noires, les
astrophysiciens ont recours à deux grands types d'observations : les sondages de la structure de
l'Univers à très grande échelle, et l'étude détaillée des galaxies. Dans les deux cas, ces observations ne
peuvent être interprétées qu'en comparaison aux prédictions de modèles théoriques de matière et
énergie noire. Ces prédictions théoriques, nécessitant d'incroyables quantités de calcul, sont établies
par recours à la simulation numérique sur les plus grands supercalculateurs mondiaux.
C'est dans ce contexte qu'a été conduit le projet Extreme-Horizon par une collaboration internationale
menée par des équipes du CEA. La simulation Extreme-Horizon modélise les régions les plus denses de
l'Univers, c'est à dire les galaxies, leurs étoiles et les trous noirs supermassifs, au niveau de l'état de
l'art, et repousse les limites en résolvant la matière intergalactique diffuse, c'est à dire l'essentiel du
volume de l'Univers, à un niveau de précision jamais atteint. En utilisant le code numérique à
raffinement adaptatif de maille RAMSES, cette simulation modélise l'évolution des structures
cosmiques à partir de quelques instants après le Big-Bang jusqu'à aujourd'hui. Elle constitue l'un des
principaux grands challenges réalisés sur la nouvelle architecture du supercalculateur Joliot Curie de
GENCI au TGCC, où elle a utilisé plus de 25.000 coeurs de calculs sur cinquante millions d'heures. Le
volume de données numériques dépasse 3To à chaque instant du calcul, justifiant la mise en oeuvre de
nouvelles techniques d'écriture et lecture des données de simulations issues d'une collaboration entre
la DRF et la DAM au CEA, réduisant l'utilisation de l'espace disque et accélérant l'accès aux données.
L'analyse de la simulation Extreme-Horizon apporte des informations cruciales pour les sondes
cosmologiques, notamment pour la préparation à l'arrivée des données de l'instrument DESI (Dark
Energy Spectroscopic Instrument) visant à mieux contraindre les modèles d'énergie noire et les
propriétés des neutrinos. Le modèle utilisé décrit finement l'action des trous noir supermassifs qui
expulsent une quantité considérable d'énergie dans le milieu intergalactique, biaisant ainsi les
estimations des paramètres cosmologiques d'une manière qui ne peut être corrigée qu'avec de telles
simulations numériques [1]. Cette simulation apporte aussi des résultats majeurs sur les mécanismes de
formation des galaxies, en proposant notamment une interprétation inédite aux galaxies ultracompactes
de l'Univers primordial [2], révélée entre autres par des observations récentes du radiotélescope ALMA
[3] (Fig. 3). D'après la simulation Extreme-Horizon, ces galaxies ultra-compactes se forment par
agglomération rapide de nombreuses galaxies très petites, une formation en essaim d'abeilles, qui
n'a pu être révélée que grâce à la résolution sans précédent de cette simulation numérique.
[1] The impact of AGN feedback on the 1D power spectra from the Ly-α forest using the Horizon-AGN suite of
simulations - Chabanier, Solène; Bournaud, Frédéric; Dubois, Yohan; Palanque-Delabrouille, Nathalie; Yèche,
Christophe; Armengaud, Eric; Peirani, Sébastien. MNRAS, 495, 1825 (2020)
[2] Formation of compact galaxies in the Extreme-Horizon simulation - Chabanier, S; Bournaud, F.; Dubois, Y.
et al., A&A Letters, submitted.
[3] Starbursts in and out of the star-formation main sequence - Elbaz, D.; Leiton, R.; Nagar, N.; Okumura, K.; et
al. A&A 616, A110 (2018)
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