L’époque de réionisation désigne la fin du premier milliard d’années de l’histoire de l’Univers, au cours de laquelle les premières étoiles du cosmos produisent une lumière ultra-violette capable d’ioniser l’hydrogène de l’Univers. Ce gaz est normalement visible dans le domaine radio et cette réionisation va le priver de sa capacité à émettre ce rayonnement. La prochaine décennie verra la mise en place de grands observatoires (dont SKA en 2025, Afrique du Sud et Australie) capable de sonder ces régions et époques lointaines, et verront le gaz d’hydrogène disparaître au cours de cette transition. En prévision de l’installation de ces instruments, les astronomes cherchent à simuler ce processus d’apparition des premières sources et de réionisation de l’hydrogène, à l’aide de simulations dites “cosmologiques” qui modélisent l’évolution de volumes d’Univers sous l’effet de la gravité, de la mécanique des fluides et du transfert du rayonnement. Le projet BAO@21cm participe à cet effort en se focalisant sur des structures de 500 Millions d’années-lumière présentes dans le gaz : les ondes acoustiques baryoniques ou BAO. Comme expliqué, le signal de ces structures du gaz doit disparaître et c’est l’histoire de cette disparition que le projet cherche à modéliser.

Distribution du gaz d’hydrogène un milliard d’années après le Big Bang. La tranche représentée a une étendue de 30 millions d’années-lumière de côté, avec une épaisseur de 3 millions d’années-lumière. Les régions les plus denses de cette carte formeront les premières étoiles de l’Univers.

Le Challenge

Pour ce faire, une approche en deux temps a été retenue. D’abord a été simulée l’évolution d’un volume cubique de 3 milliards d’années-lumière de côté à l’aide du code cosmologique RAMSES qui modélise sur grille adaptative la structuration de la matière sous l’effet de la gravitation et de l’hydrodynamique. Sur une grille 2048^3 et trois niveaux de raffinement, la simulation aura mobilisé 2 048 processeurs du mésocentre de l’Université de Strasbourg durant 300 000 heures CPU. Cette première simulation fournit l’évolution du gaz et la formation des étoiles qui réioniseront cet Univers. Ensuite, le code CUDATON a été utilisé, qui simule la propagation de ce rayonnement stellaire et l’impact de ce dernier sur l’état thermique et d’ionisation de l’hydrogène cosmique. Ce code a été conçu pour tourner entièrement sur accélérateurs GPU (via CUDA), ce qui permet en gain en efficacité d’environ 80X par rapport à des CPU de même génération. Grâce à huit cartes installées aux mésocentre, le calcul de transfert radiatif aura pu être effectué à un coût minimal sur une grille 512^3 pour un grand nombre de modèles de sources et de types de rayonnements.

Les résultats

Parmi les conclusions de cette recherche, il est apparu que la disparition du signal des BAO dépend grandement de notre compréhension des sources. En particulier, la présence ou non de rayons X dans ces phares primitifs accélère sensiblement la perte de l’émission de ces ondes, ce qui aboutit à de forte contraintes sur la possibilité ou non de les détecter. A l’inverse, une détection dans les futurs grands observatoires placerait des contraintes fortes sur la capacité des premières sources à émettre des rayons X. Ces premières conclusions n’ont été possibles que grâce à l’exploration d’un grand espace des modèles de sources primitives permis par l’accélération GPU.

Les perspectives

Ces résultats demandent à être confirmés sur de plus grands volumes simulés et à plus haute résolution sur la partie transfert. De nouveaux calculs sont déjà planifiés sur l’extension de la partie hybride du mésocentre, pour une modélisation mieux résolue, et sur le cluster hybride Curie pour augmenter d’un ordre de grandeur le volume simulé.

Le projet est mené par Dominique Aubert, maître de conférence à l’Université de Strasbourg et membre de l’Observatoire de Strasbourg, avec la collaboration de Benoît Sémelin, Professeur à l’Université Paris VI et membre de l’Observatoire de Paris. Une partie de ces travaux a été effectuée avec le soutien de l’ANR JCJC “EMMA”. Le code RAMSES a été développé par Romain Teyssier (Université de Zurich), le code CUDATON par Dominique Aubert (Observatoire Astronomique et Université de Strasbourg).

Dominique Aubert – Université de Strasbourg, Observatoire Astronomique de Strasbourg.

[Cet article fait partie du dossier Journée Meso-Challenges 2013 : le compte-rendu !]