Galaxie spirale NGC 1300. Cliquez pour agrandir
Les chercheurs ont exploité la puissance de l'un des superordinateurs les plus rapides au monde - le simulateur terrestre - pour modéliser la croissance des galaxies dans l'Univers primitif. L'équipe a simulé le processus dès le début, peu de temps après le Big Bang, lorsque des amas de gaz se sont réunis pour former des étoiles qui ont ensuite fusionné en collections de plus en plus grandes et sont finalement devenues des galaxies. Ils ont découvert que les galaxies comme la Voie lactée ont probablement la même composition maintenant qu'elles ne l'étaient qu'un milliard d'années après le Big Bang.
Deux astronomes ont effectué l'une des plus grandes simulations astrophysiques au monde à ce jour afin de modéliser la croissance des galaxies. En utilisant le supercalculateur «Earth Simulator» au Japon, qui est également utilisé pour la modélisation du climat et la simulation de l'activité sismique, Masao Mori de l'Université de Californie à Los Angeles et Masayuki Umemura de l'Université de Tsukuba ont calculé comment les galaxies ont évolué à partir de seulement 300 millions d'années après le Big Bang jusqu'à nos jours. Les résultats montrent que les galaxies ont pu évoluer beaucoup plus rapidement qu'on ne le pense actuellement (Nature 440 644).
Selon le modèle «hiérarchique», les galaxies sont formées via un processus ascendant qui commence par la formation de petits amas de gaz et d'étoiles qui se fondent ensuite dans des systèmes plus grands. Mori et Umemura ont simulé ce processus à l'aide d'un puissant code hydrodynamique 3D associé à un code de «synthèse spectrale» pour un plasma astrophysique afin de prendre en compte l'évolution dynamique et chimique d'une galaxie primordiale. La simulation Earth-Simulator a été réalisée avec une résolution ultra-haute basée sur 1024 «points de grille», ce qui en fait l'un des plus gros calculs jamais réalisés en astrophysique.
Mori et Masayuki ont mis en place les conditions initiales de leur simulation à partir d'un univers de matière noire froide, dont les paramètres sont déterminés par des mesures du fond micro-ondes cosmique. Ces observations, faites pour la première fois en 2003, montrent que nous vivons dans un univers plat comprenant seulement 4% de matière ordinaire, 22% de matière noire et 74% d'énergie sombre - en accord avec le modèle standard de la cosmologie. Les chercheurs ont ensuite directement comparé leurs résultats numériques avec des observations de galaxies primitives appelées émetteurs Lyman-alpha et galaxies «Lyman break», que les astronomes trouvent dans les parties les plus éloignées et donc les plus anciennes de l'univers.
Les résultats montrent que les bulles de gaz primordiales qui se sont formées dans le premier univers à peine 300 millions d'années après le Big Bang ressemblent en effet à des émetteurs Lyman-alpha. Après environ 1 milliard d'années, les simulations montrent que ces galaxies se transforment en Lyman cassent les galaxies. Enfin, après 10 milliards d'années d'évolution, les structures ressemblent aux galaxies elliptiques actuelles.
La simulation prédit également le mélange d'éléments chimiques dans la galaxie à chaque étape de son évolution, et suggère que notre Voie lactée a à peu près la même composition aujourd'hui qu'elle ne l'était quand elle n'avait que 1 milliard d'années. Jusqu'à présent, on pensait que les galaxies avaient évolué progressivement et s'enrichissaient en éléments plus lourds au-delà de l'hydrogène et de l'hélium sur une période de 10 milliards d'années par la formation répétée d'étoiles et les explosions de supernova.
«Nos résultats montrent que la formation des galaxies s'est déroulée beaucoup plus rapidement et qu'une grande quantité d'éléments lourds ont été produits dans les galaxies en seulement 1 milliard d'années», explique Mori.
Source d'origine: Institut de physique
