E10 Cosmologie computationnelle

Topique

L'élément central de ce modèle est la simulation cosmologique à N corps, qui suit les trajectoires d'un grand nombre de particules de matière noire soumises à leur propre gravité.

Pour rendre cette simulation gérable, elle combine deux techniques complémentaires selon la portée de la force à calculer : un algorithme arborescent, adapté aux forces à courte portée entre particules proches, et un maillage qui résout la gravité par des techniques de Fourier, adapté aux forces à longue portée. Cette combinaison permet à la simulation de suivre les interactions à courte et longue portée sans coût de calcul excessif.

Lorsque cette même simulation devient hydrodynamique, elle intègre, outre la matière noire, le gaz cosmique lui-même, avec son refroidissement radiatif, la formation d'étoiles que ce refroidissement permet, et le rayonnement que les supernovae et les noyaux actifs de galaxies réinjectent dans ce gaz. L'ajout de cette physique signifie que la simulation ne décrit plus seulement la gravité, mais aussi la physique baryonique associée. La reproduction précise des statistiques des oscillations acoustiques baryoniques exige que cette simulation cosmologique soit exécutée dans des boîtes de l'ordre du millier de mégaparsecs, car une boîte plus petite ne peut contenir cette échelle caractéristique. Les univers synthétiques résultant de ce processus servent ensuite à calibrer les estimateurs observationnels et à quantifier le biais avec lequel les galaxies visibles reflètent imparfaitement la distribution réelle de la matière. Ainsi, de la simulation cosmologique à N corps qui ouvre ce document, jusqu'au biais de représentation qu'il quantifie finalement, en passant par la combinaison d'algorithmes en fonction de la portée de la force, de la physique baryonique ajoutée et de la taille minimale de la boîte requise par les statistiques baryoniques, la simulation cosmologique permet à un univers entier, réduit à des particules et des équations, de servir en définitive à calibrer l'interprétation des observations de l'univers réel.

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