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Dossier/les superordinateurs

Quand les galaxies tournent comme des toupies

Les simulations numériques permettent de voir en moins d’une minute comment les galaxies se forment au cours de milliards d’années. Des prouesses qui demandent de grandes puissances de calcul

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L’astronomie est une discipline gourmande en calcul numérique. Si l’on veut se faire une idée de la dynamique des galaxies sur des millions, voire des milliards d’années, par exemple, il n’y a pas d’autres moyens que tenter de se refaire le film en accéléré sur un écran d’ordinateur. On a beau savoir qu’une étoile comme le Soleil tourne autour du centre de la Voie lactée à une vitesse de 220 kilomètres par seconde, personne n’a jamais vu une galaxie tourner dans le ciel. Elles semblent désespérément statiques. Toutefois, le souci, pour le chercheur qui souhaite reproduire le mouvement d’une galaxie, c’est qu’un tel objet compte au bas mot quelques centaines de milliards d’étoiles. Sans parler du gaz, de la poussière et de l’hypothétique matière noire.

«Nous ne sommes pas capables de simuler une galaxie de 100 milliards d’étoiles, précise Yves Revaz, chercheur à l’Observatoire astronomique de l’Université de Genève. Notre meilleure performance est une galaxie de 32 millions de «points», simulée sur 7 milliards d’années. Et chacun de ces points représente plusieurs centaines de milliers d’étoiles.»

Les besoins de calcul de telles simulations augmentent très vite. Il s’agit en fait d’un système physique à n corps qui évolue, dans une première approximation, sous l’effet de la seule gravité. Chaque point exerce une force gravitationnelle sur l’ensemble des autres, mais est en même temps soumis à n-1 attractions différentes. L’ordinateur doit donc effectuer à chaque instant un nombre de calculs égal à n2. En utilisant des approximations raisonnables, certains algorithmes permettent de réduire ce nombre d’opérations. Mais il demeure important.

Un million de points

Ainsi, si l’on choisit de découper la galaxie en un million de points, il est nécessaire de réaliser plusieurs millions de calculs pour se faire une idée de la forme de l’objet astronomique à un instant donné. Tous les résultats doivent ensuite être gardés en mémoire pour la simulation de l’instant suivant.

«La détermination de l’état du système à un moment donné peut remplir, dans le meilleur des cas, un dixième du disque dur d’un ordinateur de bureau, poursuit Yves Revaz. La lecture de l’ensemble de ces données à l’aide de ce même support prend trois ou quatre minutes. Et comme une simulation est généralement découpée en un millier d’«instants», le temps total de lecture, de calcul et d’écriture durerait plus d’une dizaine de jours. Il nous serait impossible de travailler dans ces conditions. L’intérêt des simulations est de pouvoir les répéter à volonté en faisant varier un ou plusieurs paramètres.»

Pour y remédier, l’Observatoire astronomique possède une grappe d’ordinateurs (cluster) représentant 220 «cœurs» de calcul (ou microprocesseurs), l’une des plus importantes de l’Université. Le tout est relié par un réseau extrêmement rapide capable de délivrer près de 20 milliards d’informations par seconde. Les cœurs et la mémoire de stockage des informations fonctionnent en parallèle. C’est-à-dire que tous les calculs et écritures sont effectués localement avant d’être rassemblés à la fin de la simulation.

Sans être le dispositif le plus puissant de Suisse, il convient parfaitement aux besoins des astrophysiciens, dont les modèles se complexifient progressivement. En effet, une galaxie n’est pas constituée que d’étoiles. Elle renferme aussi du gaz et de la poussière, des matières nettement plus diffuses que les astres lumineux. Du coup, en plus de la gravitation, les chercheurs doivent aussi tenir compte des forces hydrodynamiques.

Intégrer le gaz

«Nous avons réussi à intégrer le gaz dans nos simulations, mais pas encore la poussière, note Yves Revaz. Cela dit, la résolution de ces équations spécifiques complique et rallonge déjà beaucoup nos calculs.» Mais ce n’est pas tout. Une fois que le gaz a poussé la porte de la modélisation, les chercheurs doivent aussi tenir compte de son refroidissement selon la région galactique où il se trouve.

Les températures ambiantes peuvent en effet varier des environs du zéro absolu à des dizaines de millions de degrés si l’on se trouve dans un amas de galaxies. Ces fortes variations sont également gourmandes en temps de calcul.

L’un dans l’autre, malgré les difficultés, la simulation rend un résultat raisonnablement fiable et, surtout, peut résumer 10 milliards d’années d’histoire galactique en un petit film de 30 secondes. «Ces simulations nous permettent d’étudier des phénomènes impossibles à observer dans la réalité, note Yves Revaz. On peut ainsi comprendre comment, entre autres, les galaxies adoptent leur forme.»

La méthode numérique permet aussi de réaliser des prédictions. Il y a vingt ans, les théoriciens avaient ainsi remarqué, à l’aide de leurs modèles, que les galaxies spirales développaient systématiquement une barre en leur centre, c’est-à-dire un allongement de la région centrale aux extrémités duquel sont accrochés les bras. Problème: les observations d’alors contredisaient ce résultat. Il fallut un perfectionnement des moyens d’observation pour se rendre compte qu’en effet la majorité des galaxies spirales sont barrées. La Voie lactée aussi. La prédiction numérique s’est donc avérée correcte.

Bras noirs cosmiques

La dynamique des galaxies est une spécialité genevoise depuis plusieurs décennies, sous l’impulsion de Daniel Pfenniger, professeur à l’Observatoire de Genève. L’une des dernières études de son groupe, publiée dans la revue Astronomy and Astrophysics du mois de juillet 2009, a consisté à simuler la formation d’une galaxie en spirale dont la particularité est que les bras, essentiellement formés de gaz, s’étendent sur une très grande distance (jusqu’à 130 000 années-lumière du centre). Ce genre de structure, observée dans l’univers, est très difficile à reproduire sur ordinateur. Le comportement du gaz s’apparentant à celui d’un banc de brouillard, les chercheurs ne parviennent pas à faire apparaître des bras stables. A moins d’introduire de la matière noire.

De nature inconnue, impossible à détecter directement à n’importe quelle longueur d’onde, la matière noire n’existe que par le fait que sa masse, importante, permet d’expliquer la dynamique des étoiles au sein des galaxies et de ces dernières à très grande échelle. En l’introduisant dans un modèle reproduisant la formation d’une galaxie, les astrophysiciens genevois ont vu juste. Selon leurs calculs, la matière sombre, assez massive, permet de construire la structure observée. Le gaz, attiré par la force gravitationnelle de ces bras invisibles, joue alors le rôle de marqueur lumineux.

Sur la trace des exoplanètes noyées dans le bruit de fond

La recherche des planètes extrasolaires se raffine de plus en plus. Elle ne se contente plus de dénicher les planètes les plus massives tournant assez près de leur étoile. Elle cherche désormais, noyés dans des systèmes multiples, des compagnons de quelques masses terrestres évoluant si possible dans la zone habitable. Cela signifie que les chercheurs butent contre une limite inhérente à la mesure. Le signal qu’ils cherchent dans les mouvements d’une étoile et qui trahirait la présence d’un compagnon ne se distingue plus clairement du «bruit de fond». C’est pourquoi, les chasseurs d’exoplanètes font depuis peu de temps, appel aux supercalculateurs.

«Les perturbations de la vitesse radiale des étoiles provoquées par la présence d’une planète sont parfois très faibles et cachées par plusieurs autres compagnons et par le bruit stellaire, précise Damien Ségransan, chercheur à l’Observatoire astronomique de l’Université de Genève. Pour l’extraire de tout ce bruit de fond, il nous faut traiter les données par ordinateur. Avec une machine conventionnelle, cela peut prendre dix jours pour une seule étoile. Ce n’est plus satisfaisant. Surtout que l’on doit traiter des centaines de cas.»

Le groupe exoplanètes, dirigé par le professeur Stéphane Udry, a donc décidé d’acquérir une grappe d’ordinateurs (cluster) assez puissante pour faire le même travail en beaucoup moins de temps. Pour ce faire, le Data and Analysis Center for Exoplanets (DACE), dont le but sera de réaliser du calcul de haute performance, mais aussi de stocker les données et d’en permettre l’accès aux chercheurs, a été créé. Il possède à l’heure actuelle un cluster comprenant 72 microprocesseurs «conventionnels» (ils ressemblent à ceux des ordinateurs de bureau) et 1000 microprocesseurs GPU (Graphics Processing Unit). Ces derniers, dérivés des cartes graphiques utilisés notamment dans les jeux vidéo, sont extrêmement rapides, communiquent bien entre eux, mais se contentent des calculs les plus simples.

«Nous allons tester ce matériel durant un an pour voir ce qui nous est le plus utile, précise Damien Ségransan. Les GPU sont certainement très rapides, mais ne conviennent pas forcément à toutes les simulations. Il nous faut aussi vérifier si leur programmation ne pose pas trop de difficultés. Cela dit, une fois que notre choix sera arrêté, nous avons l’intention, d’ici à quelques années, de monter la puissance de notre cluster à environ une dizaine de teraflops, soit une dizaine de milliers de milliards d’opérations par seconde.»