"En astrophysique, nous n'avons que cet univers que nous pouvons observer", déclare Mark Vogelsberger, professeur de physique au MIT. "Avec un ordinateur, nous pouvons créer différents univers, que nous pouvons vérifier."
Malgré toute sa complexité brillante, la Voie lactée est plutôt banale en tant que galaxies. Du moins, c'est ainsi que Mark Vogelsberger le voit.
"Notre galaxie a quelques caractéristiques qui peuvent être un peu surprenantes, comme le nombre exact de structures et de satellites qui l'entourent", se souvient Vogelsberger. « Mais si vous faites la moyenne sur de nombreuses mesures, la Voie lactée est en fait un endroit plutôt normal. »
Il devrait savoir. Vogelsberger, professeur agrégé nouvellement titulaire au département de physique du MIT, a passé une grande partie de sa carrière à recréer la naissance et l'évolution de centaines de milliers de galaxies, depuis les tout premiers instants de l'univers jusqu'à nos jours. En exploitant la puissance des superordinateurs du monde entier, il a produit certains des modèles théoriques les plus précis de la formation des galaxies, avec des détails fascinants.
Le professeur agrégé du MIT, Mark Vogelsberger, a passé une grande partie de sa carrière à recréer la naissance et l'évolution de centaines de milliers de galaxies, depuis les tout premiers instants de l'univers jusqu'à nos jours. Dans cette illustration de portrait, l'arrière-plan montre la topologie des flux de gaz à l'échelle du halo autour d'un seul système TNG50. Crédit : José-Luis Olivares, MIT. Figure d'arrière-plan avec l'aimable autorisation de la collaboration IllustrisTNG.
Ses simulations de l'univers ont montré que les galaxies peuvent évoluer en une ménagerie de formes, de tailles, de couleurs et d'amas, présentant une nette diversité dans la population de galaxies, qui correspond à ce que les astronomes ont observé dans l'univers réel. En utilisant les simulations comme une sorte de bobine de film informatique, les scientifiques peuvent rembobiner la bande pour étudier en détail les processus physiques qui sous-tendent la formation des galaxies, ainsi que la répartition de la matière noire dans l'univers.
Au MIT, Vogelsberger continue d'affiner ses simulations, en les repoussant plus loin dans le temps et sur de plus grandes étendues de l'univers, pour obtenir une image de ce à quoi les premières galaxies auraient pu ressembler. Avec ces simulations, il aide les astronomes à déterminer le type de structures que les télescopes de la prochaine génération pourraient réellement voir dans l'univers primitif.
Un univers
Vogelsberger a grandi à Hackenheim, un petit village d'environ 2,000 XNUMX habitants dans l'ouest de l'Allemagne, où presque chaque nuit était une nuit parfaite pour observer les étoiles.
« Il y avait très peu de pollution lumineuse et le ciel était littéralement parfait », se souvient-il.
À l'âge de 10 ans, les parents de Vogelsberger lui ont offert un livre pour enfants contenant des faits sur le système solaire, qu'il attribue à son intérêt précoce pour l'astronomie. Adolescent, lui et un ami ont mis en place un laboratoire d'astronomie de fortune et ont appris par eux-mêmes à installer des télescopes et à construire divers instruments, dont l'un a été conçu pour mesurer le champ magnétique de différentes régions du soleil.
Les programmes universitaires allemands n'offraient aucun diplôme en astronomie à l'époque, il a donc décidé de poursuivre un diplôme en informatique, un intérêt qu'il avait développé en parallèle avec l'astronomie. Il s'est inscrit à l'Institut de technologie de Kalrsruhe pendant deux semestres, puis a décidé de s'orienter vers un diplôme de physique générale, qu'il a obtenu à l'Université de Mayence.
Il s'est ensuite dirigé vers l'Université de Munich, où il a appris à appliquer les techniques informatiques aux questions d'astronomie et d'astrophysique. Son travail de doctorat là-bas et à l'Institut Max Planck d'astrophysique consistait à simuler la structure détaillée de la matière noire et la façon dont elle est distribuée à petite échelle dans l'univers.
Les simulations numériques qu'il a aidé à développer ont montré qu'à de petites échelles comparables à la taille de la Terre, la matière noire peut s'agglomérer et se déplacer dans l'univers en « flux », que les chercheurs ont pu quantifier pour la première fois grâce à leurs simulations. .
« J'ai toujours aimé regarder à travers un télescope comme passe-temps, mais utiliser un ordinateur pour faire des expériences avec l'univers entier était une chose très excitante », déclare Vogelsberger. « En astrophysique, nous n'avons qu'un seul univers que nous pouvons observer. Avec un ordinateur, nous pouvons créer différents univers, que nous pouvons vérifier (avec des observations). C'était très attirant pour moi.
« Tout évolue »
En 2010, après avoir obtenu un doctorat en physique, Vogelsberger s'est rendu à l'Université de Harvard pour un post-doctorat au Center for Astrophysics. Là, il a réorienté ses recherches vers la matière visible et vers la simulation de la formation des galaxies à travers l'univers.
Il a passé la majeure partie de son postdoc à construire ce qui serait finalement Illustris — une simulation informatique très détaillée et réaliste de la formation des galaxies. La simulation commence par modéliser les conditions de l'univers primitif, environ 400,000 13.8 ans après le Big Bang. À partir de là, Illustris simule l'univers en expansion au cours de son évolution de XNUMX milliards d'années, explorant les façons dont le gaz et la matière gravitent et se condensent pour former des étoiles, des trous noirs et des galaxies.
« Si vous exécutiez l'une de ces simulations du début à la fin sur un ordinateur de bureau, cela prendrait quelques milliers d'années », explique Vogelsberger. « Donc, nous avons dû répartir ce travail entre des dizaines de milliers d'ordinateurs pour obtenir une durée d'exécution raisonnable d'environ six mois. »
Lui et ses collègues ont exécuté les simulations sur des superordinateurs en France, en Allemagne et aux États-Unis pour reproduire l'évolution des galaxies dans un volume cubique de l'univers mesurant 350 millions d'années-lumière - la plus grande simulation de l'univers jamais développée à l'époque.
La sortie initiale d'Illustris a pris la forme de nombres. Vogelsberger est allé plus loin pour rendre ces nombres sous forme visuelle, condensant les calculs extrêmement complexes en de courtes vidéos époustouflantes d'un cube en rotation du premier univers en expansion, faisant germer des graines de galaxies tourbillonnantes.
Vogelsberger et ses collègues publié un document in Nature en 2014, détaillant la sortie de la simulation, ainsi que ses visualisations. Depuis lors, il a reçu d'innombrables demandes de simulations de la part de scientifiques, de médias et de planétariums, où les visualisations de la formation des galaxies ont été projetées sur des dômes en haute définition. Les simulations ont même été commémorées sous la forme d'un Timbre postal allemand.
En 2013, Vogelsberger a rejoint la faculté de physique du MIT, où il se souvient avoir eu des doutes initiaux quant à sa capacité à suivre le « sommet du sommet ».
« J'ai réalisé très rapidement que les gens ont des attentes élevées, mais ils vous aident également à réaliser ce que vous devez accomplir, et le département est extrêmement solidaire à tous les niveaux », dit-il.
Au MIT, il a continué à affiner les simulations informatiques pour la formation des galaxies et la distribution de la matière noire. Récemment, son groupe a sorti Illustris TNG, une simulation plus grande et plus détaillée de la formation des galaxies. Ils travaillent également sur une nouvelle simulation des champs de rayonnement dans l'univers primitif, ainsi que sur l'exploration différents modèles de matière noire.
"Toutes ces simulations commencent avec un univers uniforme - rien d'autre que de l'hélium, de l'hydrogène et de la matière noire", explique Vogelsberger. « Et quand je regarde comment tout évolue pour ressembler à quelque chose comme notre univers, je me demande jusqu'où nous sommes allés dans notre compréhension de la physique. L'humanité existe depuis peu de temps; néanmoins, nous avons pu développer toutes ces théories et technologies pour pouvoir faire quelque chose comme ça. C'est assez incroyable.
