Mission

Simulations

Comment évoluerait l’Univers avec ou sans énergie noire ? Une question à laquelle il ne serait possible de répondre sans effectuer de simulations. Ces véritables laboratoires virtuels permettent de tester une variété de théories tout en n’ayant qu’un seul Univers à disposition. Quels rôles jouent-elles dans Euclid ?

Une simulation,
pourquoi faire ?

Lancer un ballon du premier étage et regarder ce que cela entraîne semble être une expérience tout à fait réalisable. Répéter cette expérience sur la Lune semble beaucoup plus complexe et c’est en cela que réside tout l’enjeu des simulations. En effet, réaliser des simulations consiste en une sorte d’expérience virtuelle permettant de repousser nos contraintes ou de s’éviter de bien fastidieux calculs. Les simulations numériques jouent un rôle fondamental dans les sciences modernes, en cosmologie mais aussi dans de nombreux autres domaines. Par exemple, prédire le temps qu’il fera demain à partir de données collectées aujourd’hui exige de simuler la mécanique des fluides dans l’atmosphère et la physique complexe du climat. En pratique, il s’agit de découper la surface du globe en domaines rectangulaires de quelques kilomètres de côté et de décrire les flux de masse et d’énergie entre ces différentes régions à l’aide d’un algorithme. Si les erreurs sont correctement maîtrisées, il sera possible de prédire le temps de deux à trois jours.

À l’instar des spécialistes en météorologie, les cosmologistes se doivent de très bien connaître les conditions régnant au début de l’Univers, ce qui est désormais possible grâce aux observations très précises du fond diffus cosmologique, notamment par celles du satellite Planck. À partir de ces conditions de départ, l’espace va être découpé en volumes finis appelés macro-particules. Ces particules servant à décrire la matière noire sont virtuellement déplacées dans l’espace et le temps à l’aide d’un algorithme appelé « méthode à N corps ». En utilisant cet algorithme, les scientifiques vont pouvoir calculer les interactions gravitationnelles entre toutes ces particules afin de déduire et simuler leurs trajectoires correspondantes. La Relativité Générale d’Einstein joue un rôle important dans l’évolution générale de ce système, par le biais de l’expansion universelle, homogène et isotrope.

Des simulations
inédites

Légende : La bande du haut constitue la simulation de toutes les galaxies qui seront observées par Euclid. Celle du milieu correspond à la simulation de la contribution de l’instrument VIS. Ce dernier peut détecter toutes les galaxies de magnitude inférieure à 24. Celle du bas correspond à la simulation de la contribution de l’instrument NISP qui pourra observer toutes les galaxies dont le flux de la raie H-alpha sera supérieur à 1e-16. Crédit : Euclid Collaboration

La distribution des galaxies dans l’Univers dépend de constantes fondamentales, aussi appelés paramètres cosmologiques. Plusieurs modèles sont investigués par les scientifiques et chacun d’eux donne des valeurs différentes pour ces paramètres. En simulant la répartition de galaxies pour chacun des modèles à tester, les scientifiques vont pouvoir les comparer à la répartition émanant des données et voir quel modèle s’en rapproche le plus. Ceci leur permettra de valider ou rejeter les hypothèses testées et ainsi en savoir plus sur la matière noire, l’énergie sombre ou découvrir de nouvelles lois physiques.

Comparer précisément ces simulations cosmologiques avec les données d’Euclid implique de simuler toutes les galaxies que le satellite va cartographier dans un volume d’observations similaire. Il s’agit là d’un défi sans précédent pour les méthodes à N corps, car cela sous-entend de simuler l’évolution dynamique de plus de 2 millions de milliards de particules !

Cet exploit fût réalisé en 2017 par une équipe de chercheurs de l’Université de Zürich, également membres de la Collaboration Euclid. Un premier catalogue de plus d’un milliard de galaxies – appelé Flagship – est maintenant disponible à toute la Collaboration Euclid pour préparer l’analyse de données. D’autres catalogues suivront tout au long de la mission.

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