Des simulations record de la formation de structures à grande échelle dans l’univers

Des simulations record de la formation de structures à grande échelle dans l'univers

Des chercheurs dirigés par l’Université de Tsukuba présentent des simulations informatiques qui capturent la dynamique complexe des neutrinos insaisissables laissés par le Big Bang. Crédit : Yoshikowa, et al.

Les simulations actuelles de la formation de structures cosmiques ne reproduisent pas avec précision les propriétés des particules fantômes appelées neutrinos qui sont présentes dans l’Univers depuis son origine. Mais maintenant, une équipe de recherche du Japon a mis au point une approche qui résout ce problème.

Dans une étude publiée ce mois-ci dans Actes de la Conférence internationale sur le calcul haute performance, la mise en réseau, le stockage et l’analyse, des chercheurs de l’Université de Tsukuba, de l’Université de Kyoto et de l’Université de Tokyo rapportent des simulations qui suivent précisément la dynamique de ces neutrinos reliques cosmiques. Cette étude a été sélectionnée comme finaliste pour le prix ACM Gordon Bell 2021 (awards.acm.org/bell), qui récompense les réalisations exceptionnelles dans le domaine du calcul haute performance.

Les neutrinos sont beaucoup plus légers que toutes les autres particules connues, mais leur masse exacte reste un mystère. Mesurer cette masse pourrait aider les scientifiques à développer des théories allant au-delà du modèle standard de la physique des particules et à tester des explications sur l’évolution de l’Univers. Une façon prometteuse de déterminer cette masse est d’étudier l’impact des neutrinos reliques cosmiques sur la formation de structures à grande échelle à l’aide de simulations et de comparer les résultats avec les observations. Mais ces simulations doivent être extrêmement précises.

« Les simulations standard utilisent des techniques connues sous le nom de méthodes à N corps à base de particules, qui présentent deux inconvénients principaux lorsqu’il s’agit de neutrinos massifs », explique le Dr Naoki Yoshida, chercheur principal à l’Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l’univers, le Université de Tokyo. “Premièrement, les résultats de la simulation sont sensibles aux fluctuations aléatoires appelées bruit de grenaille. Et deuxièmement, ces méthodes basées sur les particules ne peuvent pas reproduire avec précision l’amortissement sans collision, un processus clé dans lequel les neutrinos en mouvement rapide suppriment la croissance de la structure dans l’Univers.” Pour éviter ces problèmes, les chercheurs ont suivi la dynamique des neutrinos massifs en résolvant directement une équation centrale de la physique des plasmas connue sous le nom d’équation de Vlasov. Contrairement aux études précédentes, ils ont résolu cette équation dans un espace de phase complet à six dimensions, ce qui signifie que les six dimensions associées à l’espace et à la vitesse ont été prises en compte. L’équipe a couplé cette simulation de Vlasov à une simulation à N corps à base de particules de la matière noire froide, le principal composant de la matière dans l’Univers. Ils ont effectué leurs simulations hybrides sur le supercalculateur Fugaku du RIKEN Center for Computational Science.

“Notre plus grande simulation combine de manière cohérente la simulation de Vlasov sur 400 billions de grilles avec des calculs de 330 milliards de corps, et elle reproduit avec précision la dynamique complexe des neutrinos cosmiques”, explique l’auteur principal de l’étude, le professeur Koji Yoshikawa. “De plus, le délai de résolution de notre simulation est considérablement plus court que celui des plus grandes simulations à N corps, et les performances évoluent extrêmement bien avec jusqu’à 147 456 nœuds (7 millions de cœurs de processeur) sur Fugaku.”

En plus d’aider à déterminer la masse des neutrinos, les chercheurs suggèrent que leur schéma pourrait être utilisé pour étudier, par exemple, des phénomènes impliquant un plasma électrostatique et magnétisé et des systèmes auto-gravitants.


Prochaine étape dans la simulation de l’univers


Plus d’information:
Kohji Yoshikawa et al, Une simulation Vlasov d’une grille de 400 trillions sur le supercalculateur Fugaku, Actes de la Conférence internationale sur le calcul haute performance, la mise en réseau, le stockage et l’analyse (2021). DOI : 10.1145/3458817.3487401

Fourni par l’Université de Tsukuba

Citation: Simulations record de formation de structures à grande échelle dans l’univers (2021, 1er décembre) récupérées le 1er décembre 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-12-record-breaking-simulations-large-scale-formation -univers.html

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