La « machine divine » dans le sous-sol de Durham

Pendant soixante-douze millions d'heures, un supercalculateur situé dans un coin tranquille du nord de l'Angleterre a passé au crible les lois de la physique jusqu'à en faire surgir un fantôme. Il ne s'agissait ni d'un bug, ni d'une séquence aléatoire de nombres, mais d'un reflet : un univers synthétique si précis que ses créateurs affirment qu'il est impossible de le distinguer de celui que nous habitons réellement. Lorsque les images sont finalement apparues sur les moniteurs de l'université de Durham, les chercheurs ne regardaient pas des approximations granuleuses ; ils observaient des galaxies partageant exactement les mêmes luminosités, couleurs et amas que les étoiles que nous voyons à travers les télescopes les plus puissants existants.

Ce projet n'est pas né d'une volonté de jouer à Dieu. Il s'agissait d'une tentative désespérée de sauver la version actuelle de la réalité. Depuis quelques années, le monde de la cosmologie est en proie à une panique silencieuse. Les données transmises par le télescope spatial James Webb (JWST) se comportent de manière étrange, nous montrant des galaxies anciennes bien trop grandes et trop brillantes pour que nos théories actuelles puissent les expliquer. Certains physiciens ont commencé à murmurer que notre « modèle standard » de l'univers était irrémédiablement brisé. Le projet COLIBRE — fruit d'un travail acharné de dix ans à l'échelle internationale — a été conçu pour déterminer si les mathématiques tiennent toujours la route ou s'il est nécessaire de déchirer le manuel pour tout recommencer.

L'ampleur du calcul numérique impliqué est difficile à saisir sans une bière et une calculatrice. Pour exécuter la plus grande version de cette simulation, le supercalculateur COSMA8 a travaillé pendant l'équivalent de 8 219 ans de vie d'un processeur unique. Si vous tentiez de faire cela sur votre ordinateur portable de jeu haut de gamme, la machine fondrait probablement en une flaque de silicium avant d'avoir terminé un milliardième du travail. Cet investissement massif en énergie numérique a été rendu nécessaire parce que l'équipe a décidé de mettre fin aux raccourcis qui ont entaché les simulations spatiales pendant des décennies.

Le mur des dix mille degrés

Pour comprendre pourquoi cette simulation est différente, il faut comprendre pourquoi les précédentes n'étaient, en substance, que des dessins animés. L'espace est vaste, mais il est aussi chaotique. Jusqu'à présent, les astronomes peinaient à modéliser les gaz « froids » — c'est-à-dire tout ce qui est en dessous d'environ 5 500 degrés Celsius (10 000 degrés Fahrenheit). Bien que cela puisse ressembler à un haut fourneau pour un être humain, à l'échelle cosmique, c'est pratiquement glacial. Comme ces gaz froids et les nuages de poussière qu'ils transportent se comportent de manière incroyablement complexe et turbulente, les simulations précédentes les excluaient tout simplement. Ils fixaient une limite stricte à 10 000 degrés et espéraient que les données manquantes n'avaient pas trop d'importance.

Carlos Frenk, physicien à l'université de Durham et l'un des principaux architectes du projet, a décrit le moment de l'aboutissement comme « exaltant ». C'est une chose d'avoir une théorie sur papier ; c'en est une autre de regarder une machine suivre cette théorie pour construire une galaxie qui ressemble exactement à celle que vous voyez lorsque vous pointez un télescope vers le ciel. Si la simulation avait produit autre chose — des amas de matière qui ne se regroupaient pas ou des étoiles qui s'éteignaient trop vite — cela aurait été le dernier clou dans le cercueil de notre compréhension du cosmos.

Pourquoi la physique était en pleine crise de la quarantaine

La tension qui sous-tend ce projet provient d'une série spécifique d'observations qui hantent les couloirs de la NASA. Lorsque le JWST a été lancé, il a commencé à voir des choses qu'il n'aurait pas dû voir : des galaxies massives dans l'univers très jeune. Selon le modèle standard, ces galaxies n'auraient pas dû avoir assez de temps pour devenir aussi grandes. C'était comme entrer dans une pouponnière et y trouver un nouveau-né mesurant un mètre quatre-vingts et capable de réciter du Shakespeare. Cela n'avait aucun sens, et a conduit à une vague de titres suggérant que le Big Bang n'avait jamais eu lieu ou que la gravité fonctionne différemment de ce que nous pensions.

Cependant, la simulation n'a pas seulement offert du réconfort. Elle a également mis en évidence un problème flagrant, de couleur rubis, que les physiciens peinent encore à expliquer. Même avec 72 millions d'heures de puissance de supercalcul, le modèle ne parvient pas tout à fait à rendre compte des « Petits Points Rouges » (Little Red Dots). Il s'agit d'une catégorie d'objets incroyablement brillants et compacts découverts par le JWST qui existaient lorsque l'univers avait moins d'un milliard d'années. Ils ressemblent à des galaxies, mais ils sont beaucoup trop denses et semblent disparaître à mesure que l'univers vieillit. Ils sont l'équivalent cosmique d'une histoire de fantômes — présents une minute, disparus la suivante, refusant de suivre les règles.

Les compromis du dieu virtuel

Chaque simulation est un compromis entre précision et échelle. Même avec la puissance de COSMA8, les chercheurs ont dû faire des choix. Ils peuvent modéliser un volume massif de l'univers, mais ils ne peuvent pas voir chaque caillou ou astéroïde individuel. Ils observent l'échelle « macro » — la manière dont la matière noire attire le gaz, dont les trous noirs au centre des galaxies rejettent de la matière dans l'espace, et comment ces forces s'équilibrent sur des milliards d'années. C'est un jeu de comptabilité cosmique, et pour la première fois, les comptes semblent enfin s'équilibrer.

La vraie valeur de COLIBRE ne réside pas seulement dans la preuve que nous avons raison ; elle réside dans le fait de nous offrir un terrain de jeu pour tester là où nous pourrions avoir tort. Si nous voulons savoir ce qui se passe si la matière noire est « chaude » au lieu d'être « froide », ou si nous voulons voir comment un type différent de croissance des trous noirs affecte la forme d'une galaxie spirale, nous n'avons pas besoin d'attendre des milliards d'années pour une expérience réelle. Il suffit de changer une ligne de code et de relancer la simulation. C'est un laboratoire où l'échantillon est l'univers entier.

Il existe également un coût humain à ce type de travail, souvent passé sous silence. Une décennie de la vie d'un scientifique est un prix élevé à payer pour un logiciel. L'équipe de Durham et ses partenaires internationaux ont passé des années à perfectionner la physique « sous-grille » — les détails minuscules et granulaires qui dictent la manière dont les étoiles s'allument et meurent. C'est un travail fastidieux de débogage, de test et d'échec, tout cela pour produire un résultat qui, s'il fonctionne parfaitement, ressemble exactement à ce que nous connaissons déjà. C'est le paradoxe ultime de la science : vous travaillez pendant dix ans juste pour prouver que le monde est exactement tel que vous le soupçonniez.

Un univers fait de mathématiques

L'un des enseignements les plus profonds du projet COLIBRE est la confirmation que notre univers est fondamentalement mathématique. Il y a quelque chose de profondément troublant — et peut-être légèrement réconfortant — dans le fait que l'on puisse injecter des équations de base sur la gravité, la thermodynamique et la dynamique des fluides dans une machine et obtenir un « univers » en sortie. Cela suggère que la complexité que nous voyons lorsque nous regardons la Voie lactée n'est pas un coup de chance ou un miracle ; c'est une fatalité. Si vous avez les bons ingrédients et les bonnes règles, les étoiles n'ont d'autre choix que de se former.

Pour l'instant, le modèle standard survit un jour de plus. Il a survécu au premier contact avec le télescope spatial James Webb, en grande partie grâce au travail colossal accompli dans ce sous-sol de Durham. Nous vivons peut-être dans un univers chaotique, froid et rempli de poussière, mais au moins, nous pouvons enfin dire que nous savons comment la poussière retombe. Et quant aux choses que la simulation ne peut toujours pas expliquer ? Ce sont ces parties qui font que les soixante-douze millions d'heures suivantes valent la peine d'attendre.