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Les simulations cosmologiques |
Afin de suivre l'évolution des structures de la matière depuis l'âge sombre jusqu'à nos jours, des simulations cosmologiques de plus en plus précises ont été entreprises. Leur but est de décrire l'univers à différentes époques et à différentes échelles.
Dans le premier chapitre de ce cours de cosmologie, les lois de l’évolution de l’univers ont été expliquées en mettant en avant la relativité générale. Le contenu énergétique a aussi été défini, baryons (atomes, gaz et photons), matière noire et énergie noire. Cela a fourni le modèle ΛCDM ; Λ représentant l’énergie noire et CDM correspondant à Cold Dark Matter pour notifier la présence importante de matière noire froide. Dans ce modèle, la matière baryonique est négligeable et n'influence donc pas la structure de l’univers aux grandes échelles ; elle suit la matière noire. En partant de ce postulat et avec l’aide d'ordinateurs multi-processeurs, les scientifiques des années 1990 ont commencé à modéliser l’évolution de cubes d’univers de plusieurs Mpc de côté depuis un décalage spectral z = 100 (il y a plus de 13 milliards d'années) lorsque la physique de l'univers devient non linéaire jusqu’à nos jours, z = 0. Ces simulations ne prennent en compte que la matière noire, la force de gravité entre ces particules et l’expansion de l’univers. Les conditions initiales correspondent à un univers de densité constante avec des inhomogénéités générées de manière aléatoire.
L'univers est constitué de milliards de milliards de milliards, etc, de particules baryoniques et encore plus de matière noire ; il est impossible de suivre l'évolution de chacune d'elles, cela demanderait beaucoup trop d'heures de calcul. Les simulations cosmologiques les plus importantes simulent au maximum plusieurs milliards de particules. Dans le cas des simulations cosmologiques couvrant un grand volume spatial (cubes de plusieurs centaine de kpc), seule la matière noire est simulée par le biais d'éléments de masse appelés particules. Elles ont une masse allant du million au milliard de fois la masse du soleil. Cette taille crée une limite dans la résolution de la simulation. Elle ne rend pas fausse les simulations mais elle les rend incapables de simuler des objets de plus petite masse que la masse de base. Ces types de simulations ne sont donc pertinentes que pour reproduire les galaxies les plus massives et les grandes structures qu'elles forment. Il est à noter qu'il existe de plus en plus de simulations cosmologiques simulant de petits cubes d'univers (10-20 kpc) mais introduisant la matière baryonique. De plus, un autre type de simulation cosmologique se focalise sur les petites structures, telles les galaxies naines, en simulant de petit volume d'univers mais avec une grande résolution. Le domaine des simulations est donc très vaste et dépend de ce que l'on veut étudier : l'univers dans son ensemble, la formation des baryons dans les galaxies ou encore la formation des petites structures.
L'univers visible mesurable est celui des étoiles et gaz. Cependant, les simulations cosmologiques à grandes échelles nous montrent surtout l'univers invisible de la matière noire. Cela peut paraître de prime abord très profitable, nous aurions à notre portée les deux faces de l'univers. Cependant, cela empêche de vérifier directement si les simulations cosmologiques sont bonnes et décrivent bien l'univers. Il est donc primordial de faire le lien entre la matière baryonique et la matière noire, ce qui n'est pas chose aisée. Il paraît normal de supposer qu'un halo de matière noire abrite une galaxie. Mais une galaxie de quelle masse, de quelle type, et quelle est la nature de la matière dans cette galaxie, gazeuse ou stellaire ? Toutes ces questions ont donné lieu à des modèles semi-analytiques qui remplissent les halos de matière noire de matière baryonique et les font évoluer analytiquement. Ce procédé est rapide mais sujet à caution. Les lois analytiques sont-elles les bonnes, peut-on simplifier par quelques lois des phénomènes aussi complexes qu'une fusion de galaxies et connaît-on réellement ces lois à grands décalages spectraux ?
Bien que les simulations soient un outil irremplaçable, les limites dues à la résolution et les limites dues à la physique implémentée dans les simulations montrent que les simulations sont aussi un outil à utiliser avec précaution.
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