Les simulations du cosmos

Les premiers outils de l'observation du cosmos : les yeux

Un regard plein d'attente

 Tout être humain un peu curieux de son environnement a depuis bien longtemps osé lever les yeux au-dessus de sa tête et s’est interrogé sur la signification des images captées par ses yeux. L’œil humain est donc le premier outil de l’astronomie. 

Pour désépaissir le mystère du cosmos offert à son regard, l’humain a également imaginé et construit des bâtisses lui permettant de se rapprocher du firmament. C’est ce qu’il a longtemps cru. Avant de comprendre enfin que ces édifices n’apporteraient rien de nouveau tant qu’il ne construirait pas des artifices prolongeant sa vue.

Observatoire
Observatoire

L'apport crucial de l'optique

Le développement de l’optique (Descartes), de la physique des ondes électromagnétiques, des technologies industrielles, spatiales et informatiques ont permis une sophistication croissante de ces moyens d’observation et une explosion de leur nombre.

Sans aller jusqu’à dire que l’astronomie est devenue une science démocratique, facile et banale, elle a su capter un nombre croissant de pratiquants, professionnels bien entendu … mais amateurs aussi.

On peut aujourd’hui acheter sa lunette astronomique en ligne sur Internet. Galilée en serait surement ravi et étonné !

Les observations faites pendant la période allant de Galilée jusqu’au début du vingtième siècle permettent la révolution copernicienne et la découverte des planètes du système solaire.

Le vingtième siècle ouvre enfin nos yeux à la perception du cosmos

Le vingtième siècle marque un tournant décisif dans l’histoire humaine récente ; en effet :

  • Les observations de Hubble, en particulier, puis celles réalisées depuis un siècle par une multitude de télescopes, font sortir la perception humaine du système solaire puis de la Voie Lactée.
  • Le développement de l’électromagnétisme et des techniques de transmission des ondes mène à la fabrication de radiotélescopes.
  • Les progrès de l’aéronautique et des dispositifs de propulsion ouvrent la voie au lancement de de satellites artificiels.
  • etc.

Parallèlement à ces progrès techniques et aux conséquences qu’ils engendrent sur la compréhension du cosmos, les théories tentant de baliser les observations se développent. Le modèle newtonien est bousculé par l’œuvre d’Einstein qui, elle-même, fait aujourd’hui l’objet d’interrogations. La cause de celles-ci ? Les deux composantes énergétiques qu’une vision directe, eût-elle été prolongée ou améliorée par divers subterfuges ne parvient pas à percevoir. Depuis les années quatre-vingt, une course effrénée à la compréhension de ce que des observations indirectes livrent est ouverte.

Les simulations informatiques du cosmos

Cette fois-ci, contrairement à ce qui se passe depuis plusieurs millénaires, il faut redoubler de ruse pour comprendre ce que les indices amassés suggèrent. Que sont la matière sombre et l’énergie sombre ? Où sont-elles ? Elles influencent les mouvements des objets perceptibles, visibles. Mais, elles-mêmes, restent insaisissables.

Les équipes de recherche se mettent donc en tête de simuler le cosmos que les lois actuellement connues devrait faire apparaitre. Le défi est devenu possible. Parce que nous avons su transformer les abaques en bouliers, les bouliers en machines de Pascal, ces dernières en orgue de barbarie puis en lecteurs de cartes perforées et enfin ceux-ci en ordinateurs, l’informatique est née au milieu du vingtième siècle.

Machine à calculer (Thales)
Salle des ordinateurs

Les progrès des connaissances concernant la matière à l’échelle moléculaire, voire atomique, ainsi que le développement fulgurant de l’électronique ouvrent la voie à la construction d’ordinateurs de plus en plus rapides et puissants. Les informaticiens les commandent et les boostent à coup de programmes, de logiciels et d’algorithmes toujours plus sophistiqués.

Entre-temps, les mathématiciens et les logiciens ont appris à codifier les équations de la théorie de la relativité.

Finalement, ce qui devait arriver est arrivé. Diverses collaborations scientifiques entre des équipes réparties tout autour du globe (Etats-Unis, Allemagne, Espagne, etc.) ont fait tourner ces calculateurs électroniques en leur demandant de mettre en image l’histoire de notre univers.

Les résultats sont époustouflants. Ils rendent visible l’invisible. Ils donnent une image de la répartition de la matière sombre et de l’énergie sombre.

L’entrée en scène de l’intelligence artificielle (AI) pour simuler le cosmos

L’intelligence artificielle fait beaucoup parler d’elle en ce début d’année 2024. Elle est souvent l’objet de critiques et de dénigrements. Si certains reproches sont fondés et si les questionnements sur les finalités restent légitimes, il serait injuste de ne pas citer les secteurs dans lesquels elle apporte de réels progrès (conception de nouvelles molécules, etc.) Les scientifiques s’en servent depuis plusieurs années pour simuler l’évolution du cosmos.

Le cas du projet CAMELS

Parmi les projets ayant impliqué cette branche particulière de l’informatique, il convient de citer celui portant l’acronyme CAMELS. Un label dont la traduction française serait le mot « chameaux », Kamel dans la langue de Goethe et camel de l’autre côté de la Manche ou de l’Atlantique. Il n’a évidemment rien à voir avec ce grand voyageur des déserts sahariens qu’est le chameau et signifie Cosmology and Astrophysics with MachinE Learning Simulations. Autrement dit et en français : la cosmologie et l’astrophysique vues au travers de simulations réalisées grâce à l’intelligence artificielle.

Les objectifs du projet

– Simuler le maximum de modèles d’univers en faisant varier les paramètres connus du modèle théorique actuel et, par recoupement avec ce que les observations permettent de mesurer,

– Découvrir les propriétés de l’univers réel pris dans sa globalité ;

– Mettre au point des algorithmes intelligents et les tester ;

– Connecter la cosmologie et l’astrophysique ;

– Tester les modèles théoriques alternatifs en les confrontant à la réalité observable ;

– Comprendre la formation des structures galactiques.

Les résultats des simulations, avec ou sans AI

Ce sont une collection impressionnante de simulations concernant des millions de galaxies et de nombreux Térabytes de données accumulées.

Ces données sont désormais partiellement rendues publiques et consultables sur divers sites ; voir les références [01] à [10].

La visualisation de ces simulations ne peut que provoquer tout à la fois l’émerveillement et l’effroi. L’émerveillement de découvrir la structure cachée de ce qui lie les objets visibles. L’effroi à cause des similitudes incroyables entre ces entrelacements de filaments intergalactiques et ceux, par exemple, des fibres nerveuses cérébrales ou de certaines fibres végétales (voir l’image ci-dessous).

Simulation du cosmos
Crédit : https://wwwmpa.mpa-garching.mpg.de/galform/virgo/millennium/
Treillage botanique naturel
Plante déssèchée et son architecture

Simulations du cosmos : cordes élastiques, neurosciences et biologie moléculaire.

La notion de cordes élastiques tendues entre points névralgiques semble trouver là un domaine d’application naturel. Il est surprenant de constater que la cosmologie tangente à cet endroit les neurosciences ou la partie de la biologie étudiant la croissance cellulaire.

Visualisation du cosmos : retour à la tradition avec le James Webb Space Telescope

Le lancement récent du télescope JWST permet de revenir sur le terrain ancestral du pragmatisme. Sans pour autant se priver de tous les acquis de la modernité évoqués au cours de cet article.

Les premières images et mesures permettent aussi de tenter de se faire une idée de la naissance et de l’évolution des galaxies [10].

© Thierry PERIAT, article débuté le 13 octobre 2021, complété au fil de l’eau et revu le 9 février 2024.

Quelques liens intéressants à consulter pour en savoir un peu plus.

Rappels concernant les responsabilités lors de la consultation de liens externes

Pratiquement tous les textes accessibles au travers de ces liens, sauf [05], sont écrits en américain ou en anglais. Les liens ont tous été vérifiés le 9 février 2024. Comme à l’accoutumée, vous les visitez sous votre seule responsabilité. Je ne suis en rien responsable des contenus et des évolutions de ces sites extérieurs au site cosmoquant.fr

Références consultées

[01] Archives de l’Université de Californie, centre de simulation informatique de haute performance en astronomie, site américain qui n’est plus financé depuis 2014 ; https://hipacc.ucsc.edu/ consulté le 9 février 2024.

[02] The Illustris Collaboration, © 2018, https://www.illustris-project.org/, consulté le 9 février 2024.

[03] The first AI simulation of the universe is fast and accurate – and even its inventor doesn’t know how it works, site américain, article du 26 juin 2019; https://www.simonsfoundation.org/2019/06/26/ai-universe-simulation/, consulté le 9 février 2024.

[04] THE CAMELS PROJECT: COSMOLOGY AND ASTROPHYSICS WITH MACHINE LEARNING SIMULATIONS, arXiv: 2010.00619v2 [astro-ph.CO] 16 August 2021, draft version.

[05] Simuler le cosmos : l’immense défi des astrophysiciens ; publié le 20 décembre 2021 et consulté le 9 février 2024. ; https://www.cea.fr/presse/Pages/actualites-communiques/sciences-de-la-matiere/simuler-le-cosmos.aspx.

[06] Any single galaxy reveals the composition of an entire universe, site américain, article du 20 janvier 2022, https://www.quantamagazine.org/with-one-galaxy-ai-defines-a-whole-simulated-universe-20220120/, consulté le 9 février 2024.

[07] Simulating the observable universe with Millenium TNG, avril 2022 ; https://www.gauss-centre.eu/results/astrophysics/simulating-the-observable-universe-with-millenniumtng/, consulté le 9 février 2024.

[08] The CAMELS project: Expanding the galaxy formation model space with new ASTRID and 28-parameter TNG and SIMBA suites, arXiv: 230402096v1 [astro-ph.CO] 6 April 2023.

[09] The Illustris TNG project, © 2023 The Illustris Collaboration ; https://www.tng-project.org/, consulté le 9 février 2024.

[10] COSMOS-Webb survey; https://cosmos.astro.caltech.edu/, consulté le 9 février 2024, site américain.