D16 Cosmologie computationnelle : simulations à plusieurs corps

Topique

L'élément central de ce modèle est la simulation cosmologique à N corps, qui intègre les trajectoires d'un grand nombre de particules de matière noire — et, dans leurs versions hydrodynamiques, également de particules de gaz — au sein d'un volume cubique avec des conditions aux limites périodiques et le fond diffus cosmologique en expansion du Modèle Standard.

Différentes simulations de référence ont vu leur échelle augmenter au fil du temps, passant de dix milliards de particules dans un volume modéré à des dizaines de milliards de particules dans un volume énorme, soit la plus grande simulation hydrodynamique jamais réalisée à ce jour.

L'outil qui nous permet de comparer ces simulations aux observations réelles est un ensemble de données statistiques communes aux deux : le spectre de puissance, la fonction de corrélation, la fonction de masse des halos et les profils de densité, autant de paramètres mesurables avec les mêmes instruments réels décrits dans ce document.

L'aspect le plus remarquable de ces simulations modernes réside dans leur rétroaction multi-échelle : au sein d'un même volume simulé, elles modélisent simultanément la cosmologie à l'échelle de milliers de mégaparsecs et les processus stellaires au sein de galaxies individuelles à l'échelle de quelques kiloparsecs seulement. La rétroaction des supernovae et des noyaux galactiques actifs régule la formation stellaire même qui leur a donné naissance. Sans cette rétroaction, les simulations produisent un nombre excessif d'étoiles et de halos aux profils imprécis ; en revanche, grâce à une rétroaction bien calibrée, l'univers simulé reproduit fidèlement les observations du monde réel. La comparaison de ces mêmes simulations avec les relevés les plus récents révèle déjà des tensions qui pourraient indiquer l'existence d'une nouvelle physique au-delà du Modèle Standard. Ainsi, des simulations cosmologiques à N corps qui ouvrent ce document aux tensions avec la nouvelle physique qui le concluent, en passant par l'échelle croissante des particules simulées et l'ensemble statistique partagé avec les observations, la cosmologie computationnelle permet de confronter progressivement cet univers simulé, régulé par sa propre rétroaction interne, à l'univers réel, étape par étape, jusqu'à identifier les points de divergence entre les deux.

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