Astronomie et cosmologie

Simulations cosmologiques à N corps

La matière noire comme des milliards de particules, qui croissent sous la gravité à partir d’un Univers primordial presque uniforme pour former la toile cosmique de filaments, de murs et de vides.

Question à laquelle elle répond: Notre modèle de l’Univers fait-il croître la même structure à grande échelle que celle que voient les télescopes ?

Laisse de côté : Une particule représente un million de soleils, si bien que rien de plus petit qu’une galaxie n’y est vraiment présent.

Tourne sur : environ 10^17.5 FLOPS approximatif une grande fraction d’un supercalculateur national, pendant des semaines.Depuis : 1970 Le modèle à 300 points de Peebles sur la formation d’un amas de galaxies, parmi les premiers ; les simulations à N corps d’amas d’étoiles ont commencé avec von Hoerner en 1960

Formation des galaxies

Refroidissement du gaz, formation d’étoiles et explosions de supernovæ, et accrétion de trous noirs qui pilote des écoulements, le tout superposé à la toile de matière noire.

Question à laquelle elle répond: Pourquoi les galaxies ont-elles les formes et les tailles qu’elles ont ?

Laisse de côté : La formation d’étoiles et la rétroaction des trous noirs sont représentées par des prescriptions sous-maille réglables, et non dérivées des premiers principes.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif une grande tranche d’un supercalculateur national, des semaines d’exécution.Depuis : 1992 premières simulations combinées de gravité et de gaz de galaxies en formation.

Nucléosynthèse primordiale

Les vingt premières minutes, quand l’univers était un réacteur nucléaire qui fabriquait de l’hydrogène, de l’hélium et une trace de lithium.

Question à laquelle elle répond: Les rapports d’éléments prédits correspondent-ils au gaz le plus ancien que l’on sache mesurer ?

Laisse de côté : Suppose que l’Univers primordial était parfaitement homogène, alors qu’il contenait de petites inhomogénéités.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif un ordinateur portable ; tout le calcul prend quelques secondes.Depuis : 1967 Les premières abondances d’éléments légers calculées par Wagoner, Fowler et Hoyle.

Fond diffus cosmologique

Des ondulations dans le plasma chaud de l’univers jeune, évoluant jusqu’à la libération de la lumière 380 000 ans après le Big Bang.

Question à laquelle elle répond: Quels paramètres cosmologiques produisent le motif de points chauds et froids que nous observons ?

Laisse de côté : Suppose que le modèle cosmologique standard est correct et n’ajuste que son petit jeu de paramètres.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif un poste de travail ; quelques minutes par jeu de paramètres.Depuis : 1996 Le code de Boltzmann rapide pour le ciel micro-onde de Seljak et Zaldarriaga.

Réionisation cosmique

La lumière ultraviolette des premières étoiles et galaxies qui se répand dans l’hydrogène neutre remplissant l’univers primitif et l’ionise.

Question à laquelle elle répond: Qu’est-ce qui a réionisé l’univers après les âges sombres cosmiques ?

Laisse de côté : Les sources faibles et lointaines qui font l’essentiel de l’ionisation sont encore en deçà de ce que n’importe quel télescope peut voir directement, si bien que leur nombre est extrapolé.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif une grande part d’un supercalculateur national, pendant des semaines.Depuis : 1999 premières simulations de transfert radiatif des premières bulles ionisées.

Milieu intergalactique et forêt Lyman-alpha

Le gaz ténu étiré entre les galaxies, qu’on fait évoluer sous la gravité et le chauffage jusqu’à ce que son motif d’absorption corresponde à la forêt de raies scintillante dans le spectre d’un quasar lointain.

Question à laquelle elle répond: Quelle quantité de matière ordinaire se trouve dans le gaz entre les galaxies, et quelle est sa température ?

Laisse de côté : Dépend d’hypothèses sur la façon dont la lumière ultraviolette des galaxies chauffe le gaz, ce qui n’est pas observé directement.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif un cluster universitaire ou national, des semaines par volume simulé.Depuis : 1994 premières simulations hydrodynamiques qui reproduisent la forêt Lyman-alpha.

Simulations de matière noire ondulatoire

On fait évoluer l’univers avec la matière noire traitée comme une onde quantique cohérente obéissant aux équations de Schrödinger et de Poisson, plutôt que comme des particules classiques.

Question à laquelle elle répond: À quoi ressemblerait la structure cosmique si la matière noire était une onde ultralégère ?

Laisse de côté : L’exigence de résolution des ondes rend les grands volumes difficiles, et les baryons sont en grande partie laissés de côté.

Tourne sur : environ 10¹⁹ FLOPS approximatif Grandes simulations d’ondes sur maillage adaptatifDepuis : 2014 Cosmic structure as the quantum interference of a coherent dark wave (2014) source

Simulations contraintes de l’Univers local

Des exécutions cosmologiques dont les conditions initiales sont réglées pour que le volume évolué reproduise les voisins observés de notre galaxie, y compris les amas proches.

Question à laquelle elle répond: Peut-on simuler les vraies structures autour de la Voie lactée plutôt qu’une région typique de l’Univers ?

Laisse de côté : Les contraintes viennent de données de distance bruitées, si bien que la correspondance est statistique plutôt qu’exacte.

Tourne sur : environ 10¹⁹ FLOPS approximatif De grandes simulations à N corps ou hydrodynamiques à partir de conditions initiales contraintesDepuis : 2010 Constrained Local UniversE Simulations (CLUES) (2010) source

Émulateurs cosmologiques

Un petit nombre de simulations cosmologiques coûteuses sert à entraîner un interpolateur rapide qui prédit des statistiques comme le spectre de puissance de la matière pour des valeurs de paramètres proches.

Question à laquelle elle répond: Peut-on prédire la structure pour des milliers de choix de paramètres à partir de quelques dizaines de simulations seulement ?

Laisse de côté : Il ne couvre que la plage de paramètres et les statistiques sur lesquelles il a été entraîné.

Tourne sur : environ 10¹⁸ FLOPS approximatif Conception de dizaines d’exécutions à N corps, puis prédictions presque gratuitesDepuis : 2010 The Coyote Universe III: simulation suite and precision emulator (2010) source

Synthèse de populations stellaires

La lumière combinée de nombreuses générations d’étoiles, additionnée à partir des trajectoires d’évolution stellaire et des spectres, pour lire l’âge, la masse et l’histoire de formation d’étoiles d’une galaxie dans ses couleurs.

Question à laquelle elle répond: Quel mélange d’étoiles donne sa couleur à une galaxie ?

Laisse de côté : Les trajectoires stellaires et les bibliothèques spectrales ont leurs propres incertitudes, par exemple pour les stades tardifs de l’évolution.

Tourne sur : environ 10⁹ FLOPS approximatif synthèse de spectres peu coûteuse, répétée sur une grille d’âges et de métallicités.Depuis : 1983 L’évolution spectrale des galaxies de type précoce par Bruzual. source

Évolution chimique galactique

L’accumulation d’éléments lourds dans une galaxie au fil du temps, à partir de l’afflux de gaz, de la formation d’étoiles, de la mort stellaire et de l’éjection de gaz, écrite sous forme d’un jeu d’équations de vitesse couplées.

Question à laquelle elle répond: Comment une galaxie a-t-elle accumulé son fer et son oxygène ?

Laisse de côté : Le mélange et les écoulements de gaz sont regroupés en quelques paramètres libres, si bien que le modèle s’ajuste mais ne prédit pas.

Tourne sur : environ 10⁸ FLOPS approximatif intégration peu coûteuse d’équations de taux, balayée sur les paramètres.Depuis : 1968 Le modèle de Tinsley sur l’évolution des étoiles et du gaz dans les galaxies. source

Formation des galaxies par modèles semi-analytiques

Des galaxies peintes sur les halos en fusion d’une simulation de matière noire avec de simples règles de refroidissement, de formation d’étoiles et de rétroaction, pour suivre chaque galaxie à faible coût.

Question à laquelle elle répond: Combien de galaxies de chaque taille les halos de matière noire abritent-ils ?

Laisse de côté : Les recettes de la formation d’étoiles et de la rétroaction sont ajustées plutôt que dérivées.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif des règles appliquées à des millions d’arbres de fusion, bien moins cher que l’hydrodynamique.Depuis : 1993 La formation des galaxies dans des halos de matière noire en fusion, par Kauffmann, White et Guiderdoni. source

Simulation de matière noire auto-interagissante

Des particules de matière noire autorisées à diffuser les unes sur les autres, si bien que les cœurs des halos s’aplatissent et que les satellites changent de forme, confrontés aux observations de galaxies.

Question à laquelle elle répond: Les particules de matière noire entrent-elles en collision, et cela aplatit-il les cœurs des galaxies ?

Laisse de côté : La section efficace est un nombre libre, et la rétroaction baryonique peut imiter ou masquer le même cœur.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif Des simulations à N corps avec une étape de diffusion ajoutée.Depuis : 2000 La matière noire faiblement auto-interagissante et la structure des halos sombres de Yoshida, Springel, White et Tormen. source

Simulation cosmologique à neutrinos massifs

Des neutrinos de faible masse ajoutés à une simulation de formation des structures, sous forme de particules ou de fluide sur grille, pour mesurer l’effet sur la croissance de la toile cosmique.

Question à laquelle elle répond: De combien la masse du neutrino ralentit-elle la croissance des structures cosmiques ?

Laisse de côté : Le bruit thermique des neutrinos rend bruyants les schémas à particules, et leur masse est elle-même inconnue.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif des simulations à N corps de grand volume avec une composante de neutrinos ajoutée.Depuis : 2008 L’effet du mouvement thermique des neutrinos sur le spectre de puissance non linéaire de la matière, par Brandbyge, Hannestad, Haugbølle et Thomsen. source

Formation des structures en gravité modifiée

Des simulations à N corps où la gravité s’écarte de la relativité générale aux grandes échelles, avec un mécanisme d’écrantage qui la rétablit à proximité, pour tester le cosmos à la recherche de forces nouvelles.

Question à laquelle elle répond: Un changement de la gravité laisserait-il une signature dans la structure cosmique ?

Laisse de côté : Chaque théorie exige son propre solveur sur mesure, et le criblage coûte cher à suivre avec précision.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif Des simulations à N corps qui résolvent une équation de champ non linéaire supplémentaire à chaque pas.Depuis : 2008 L’évolution non linéaire des cosmologies f(R) d’Oyaizu, méthodologie. source

Tracé de rayons de lentille faible à travers des univers simulés

Des rayons lumineux tracés à travers la matière d’une grande simulation pour prévoir de combien les formes des galaxies sont légèrement déformées, afin de calibrer les relevés.

Question à laquelle elle répond: De combien les formes des galaxies lointaines sont-elles cisaillées par la matière qui se trouve entre elles et nous ?

Laisse de côté : Les approximations à plans multiples et la résolution finie brouillent les plus petites structures de lentille.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif lancer de rayons à travers des centaines d’instantanés de simulations à N corps.Depuis : 2000 Les simulations de lancer de rayons de Jain, Seljak et White pour le lentillage faible par la structure à grande échelle. source

Évolution de réseaux de cordes cosmiques

Un réseau de défauts minces et tendus, hérité d’une transition de phase précoce, évolué pour voir combien de boucles et de longues cordes survivent et comment elles exerceraient leur gravité.

Question à laquelle elle répond: Les cordes cosmiques, si elles existent, se stabilisent-elles en un schéma qui reste invariant d’échelle ?

Laisse de côté : Les exécutions de théorie des champs ne peuvent pas atteindre des largeurs de cordes réalistes, et le régime d’échelle n’est approché que par extrapolation.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif des simulations de Nambu-Goto ou de théorie des champs dans une boîte en expansion.Depuis : 1985 L’évolution calculée des cordes cosmiques par Albrecht et Turok. source

Dynamique de champs sur réseau de l’Univers primordial

Des champs scalaires sur un réseau, évolués jusqu’à la fin de l’inflation, pour voir comment l’énergie de l’inflaton est transmise aux particules lors d’une violente explosion résonante.

Question à laquelle elle répond: Comment l’univers s’est-il réchauffé après l’inflation ?

Laisse de côté : Des champs classiques tiennent lieu de fluctuations quantiques, ce qui n’est valable que tant que les nombres d’occupation sont grands.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif des exécutions de champ classique sur réseau allant jusqu’à quelques milliers de points par côté.Depuis : 1996 La désintégration classique de l’inflaton, par Khlebnikov et Tkachev. source

Propagation des rayons cosmiques galactiques

Des particules chargées issues de supernovæ qui errent dans la Galaxie par diffusion, perte d’énergie et réactions nucléaires, pour prédire ce qui atteint la Terre et les rayons gamma qu’elles émettent.

Question à laquelle elle répond: Comment les rayons cosmiques diffusent-ils dans la Galaxie, et que laissent-ils derrière eux ?

Laisse de côté : Le champ magnétique et la distribution de gaz de la Galaxie sont lissés, si bien que les coefficients de diffusion sont ajustés.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif résolution numérique d’une équation de transport sur une grille de paramètres.Depuis : 1998 La propagation des nucléons de rayons cosmiques dans la Galaxie de Strong et Moskalenko. source

Simulation cosmologique différentiable

Une simulation particule-maillage de la croissance des structures, écrite pour que les gradients la traversent, ce qui permet d’ajuster directement les conditions initiales ou les paramètres sur les galaxies observées.

Question à laquelle elle répond: Quel champ de densité initial et quelle cosmologie reproduisent les galaxies que nous voyons réellement ?

Laisse de côté : Le schéma rapide particule-maillage est grossier aux petites échelles : il convient aux grandes structures, pas à l’intérieur des galaxies.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif des centaines d’heures de GPU par volume ajusté.Depuis : 2020 FlowPM de Modi et ses collègues, un solveur cosmologique particules-maillage distribué sous TensorFlow. source

Catalogues et images synthétiques de relevés du ciel

Un faux univers de galaxies, d’étoiles et de phénomènes transitoires est tiré de simulations, puis converti en images de pixels telles qu’un télescope de relevé et sa chaîne de traitement les enregistreraient, avec bruit, mélange de sources et effets de l’instrument.

Question à laquelle elle répond: Le logiciel du relevé retrouverait-il la vraie cosmologie à partir d’un ciel dont nous connaissons la vérité ?

Laisse de côté : Le ciel factice ne contient que la physique et les effets d’instrument que ses auteurs ont pensé à inclure, si bien que les systématiques imprévues restent imprévues.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif des mois sur quelques allocations de supercalculateur pour la génération de catalogues et d’images.Depuis : 2021 Le relevé du ciel simulé DC2 de la LSST Dark Energy Science Collaboration. source

Simulation de collisions et de fusions de galaxies

Deux galaxies traitées comme des disques d’étoiles tests qui se croisent sous la gravité, pour montrer comment se forment queues de marée, ponts et fusions.

Question à laquelle elle répond: Les longs flots d’étoiles que l’on voit autour de certaines galaxies viennent-ils d’une ancienne rencontre rapprochée ?

Laisse de côté : Les premières versions ignorent la gravité des étoiles entre elles et sur le gaz, et toute correspondance avec un vrai couple n’est qu’une histoire possible.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif de quelques heures à quelques jours sur une station de travail pour une fusion moderne à haute résolution.Depuis : 1972 Les calculs restreints à trois corps de Toomre et Toomre sur les ponts et les queues galactiques. source

Évolution stellaire

Une étoile en couches imbriquées de gaz, qui brûle son combustible de sa naissance jusqu’à la naine blanche, l’étoile à neutrons ou le trou noir.

Question à laquelle elle répond: Combien de temps vit une étoile de cette masse, et comment meurt-elle ?

Laisse de côté : Traite la convection et la rotation par des prescriptions paramétrées plutôt qu’en résolvant directement la turbulence.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif un ordinateur portable ; un parcours évolutif complet prend quelques minutes.Depuis : 1955 Les premiers modèles calculés d’étoiles géantes rouges de Hoyle et Schwarzschild.

Supernovæ à effondrement de cœur

La dernière seconde d’une étoile massive : le cœur qui s’effondre, les neutrinos qui jaillissent, et une onde de choc qui soit fait exploser l’étoile, soit s’essouffle.

Question à laquelle elle répond: Quel mécanisme provoque l’explosion d’une étoile massive ?

Laisse de côté : Le mécanisme qui relance le choc en panne n’est pas encore tranché, et les modèles diffèrent d’une étoile à l’autre.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif une grande part d’un supercalculateur national, pendant des mois.Depuis : 1966 Les premiers modèles informatiques d’effondrement de cœur de Colgate et White.

Formation d’étoiles

Des nuages de gaz froid qui s’effondrent sous la gravité en amas d’étoiles, avec la turbulence et les champs magnétiques qui résistent.

Question à laquelle elle répond: Pourquoi les étoiles se forment-elles avec la dispersion de masses qu’on observe ?

Laisse de côté : Ne peut pas encore résoudre à la fois un nuage entier et les toutes petites échelles où naît réellement une étoile.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif un cluster universitaire ou national, des semaines pour un nuage.Depuis : 1969 Le premier effondrement calculé d’un nuage protostellaire, par Larson.

Oscillations stellaires

Des ondes sonores et de gravité résonnent à l’intérieur d’une étoile et sont calculées pour prédire le motif des scintillements de luminosité qu’un télescope verrait.

Question à laquelle elle répond: Que nous dit l’oscillation d’une étoile sur son intérieur ?

Laisse de côté : Seules les couches externes sont bien contraintes. Le cœur lui-même reste une affaire d’inférence, pas de mesure directe.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif un ordinateur portable ; un spectre d’oscillations complet prend quelques minutes.Depuis : 1975 premiers modèles d’oscillations calculés, comparés aux pulsations de cinq minutes observées du Soleil.

Évolution des étoiles binaires

Deux étoiles en orbite assez proches pour s’arracher du gaz, échanger de la masse, fusionner ou finir en paire liée de restes compacts.

Question à laquelle elle répond: Ce couple d’étoiles finira-t-il en fusion, en couple survivant, ou en source d’ondes gravitationnelles ?

Laisse de côté : Le transfert de masse entre deux étoiles reste représenté par un petit ensemble de prescriptions ajustables plutôt que dérivé des premiers principes.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif un ordinateur portable ; une population de binaires évolue en quelques minutes.Depuis : 1967 premiers modèles calculés de transfert de masse entre étoiles binaires serrées.

Atmosphères et spectres stellaires

La lumière qui s’échappe par les couches externes d’une étoile, calculée selon la température et la composition pour prédire le spectre qu’enregistrerait un télescope.

Question à laquelle elle répond: De quoi est faite cette étoile, et quelle est la température de sa surface ?

Laisse de côté : Suppose une atmosphère lisse et calme, alors que les taches stellaires et les cellules de convection rendent la vraie surface rugueuse.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif un poste de travail ; quelques heures par étoile modélisée.Depuis : 1967 premières atmosphères modèles calculées comparées à des spectres stellaires mesurés.

Évolution des saveurs des neutrinos de supernova

Le flux dense de neutrinos qui quittent une étoile en effondrement, suivi pendant qu’ils se diffusent les uns sur les autres et changent de saveur, ce qui influe sur l’explosion et sur les éléments forgés.

Question à laquelle elle répond: Comment les neutrinos changent-ils de saveur dans la foule au cœur d’une supernova ?

Laisse de côté : Le problème complet est trop grand pour être résolu en même temps que l’explosion, si bien que la physique des saveurs est traitée dans de petites boîtes simplifiées.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif des équations cinétiques quantiques couplées en quelques dimensions.Depuis : 2006 La simulation de la transformation cohérente non linéaire de saveur des neutrinos dans l’environnement d’une supernova par Duan, Fuller, Carlson et Qian. source

Simulation de la convection à la surface des étoiles

Les couches de surface en ébullition d’une étoile, calculées en trois dimensions avec rayonnement, pour reproduire la granulation et la forme des raies spectrales.

Question à laquelle elle répond: À quoi ressemble la surface d’une étoile, et comment ses raies se forment-elles ?

Laisse de côté : Seule une mince parcelle est modélisée, et les couches profondes en dessous sont imposées à partir de modèles stellaires unidimensionnels.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif hydrodynamique radiative en trois dimensions d’une portion de surface.Depuis : 1998 Les simulations de granulation solaire de Stein et Nordlund. source

Évolution en enveloppe commune

Une étoile compacte qui spirale à l’intérieur des couches externes gonflées de sa compagne, expulse le gaz ou fusionne ; on la suit par hydrodynamique pour voir quelles binaires serrées survivent.

Question à laquelle elle répond: L’étoile qui spirale éjecte-t-elle l’enveloppe ou fusionne-t-elle avec le cœur ?

Laisse de côté : Les simulations durent bien moins que l’événement réel et ne peuvent pas refroidir le gaz, si bien que les séparations finales restent incertaines.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif calculs hydrodynamiques en trois dimensions de quelques orbites.Depuis : 1996 Les simulations hydrodynamiques de systèmes à enveloppe commune de Rasio et Livio. source

Synthèse de populations binaires

Des millions d’étoiles binaires évoluées avec des règles rapides pour le transfert de masse, les marées et les coups de pied des supernovæ, pour prédire combien de fusions, de novæ et de sources d’ondes gravitationnelles une galaxie renferme.

Question à laquelle elle répond: Combien de binaires de trous noirs et d’étoiles à neutrons une galaxie produit-elle ?

Laisse de côté : Des formules d’ajustement rapides remplacent les modèles stellaires détaillés, si bien que les issues rares dépendent des règles supposées.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif des millions de binaires évoluées avec des ajustements analytiques.Depuis : 2002 L’évolution rapide des étoiles binaires de Hurley, Tout et Pols, marées comprises, pour les études de populations. source

Collapsars et jets de sursauts gamma

Une étoile massive qui s’effondre en trou noir et propulse un jet à travers son enveloppe, suivie par hydrodynamique relativiste pour voir si un sursaut peut s’échapper.

Question à laquelle elle répond: Un jet issu d’une étoile qui s’effondre peut-il percer pour produire un sursaut gamma ?

Laisse de côté : Le lancement du jet est imposé à la main, car le moteur central est trop petit et trop rapide pour être suivi avec l’enveloppe.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif de l’hydrodynamique relativiste axisymétrique à tridimensionnelle.Depuis : 1999 Les simulations de collapsars de MacFadyen et Woosley pour les sursauts gamma et les explosions de supernovæ avortées. source

Réseaux de réactions astrochimiques

Des centaines de réactions en phase gazeuse et à la surface des grains, intégrées dans un nuage interstellaire froid, pour prédire quelles molécules se forment et comment elles s’appauvrissent quand les étoiles commencent à se condenser.

Question à laquelle elle répond: Quelles molécules se forment dans un nuage froid, et à quelle vitesse ?

Laisse de côté : De nombreux coefficients de vitesse ne sont mesurés qu’à température ambiante, ou sont devinés.

Tourne sur : environ 10⁸ FLOPS approximatif équations de vitesse raides pour des milliers d’espèces, peu coûteuses par nuage.Depuis : 1973 Le modèle de Herbst et Klemperer sur la formation et la disparition des molécules dans les nuages interstellaires denses. source

Turbulence magnétisée interstellaire

Un gaz compressible et magnétisé, brassé dans une boîte périodique pour savoir à quelle vitesse la turbulence perd son énergie, ce qui fixe la vitesse à laquelle les nuages s’effondrent en étoiles.

Question à laquelle elle répond: À quelle vitesse la turbulence du gaz interstellaire s’éteint-elle ?

Laisse de côté : La dissipation numérique remplace la vraie physique des petites échelles, et la boîte n’a ni parois ni gravité.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif calculs MHD en trois dimensions à haute résolution.Depuis : 1998 La dissipation dans la turbulence magnétohydrodynamique compressible de Stone, Ostriker et Gammie. source

Formation des planètes

De la poussière dans un disque autour d’une jeune étoile qui s’agglomère en cailloux, en planétésimaux et finalement en planètes.

Question à laquelle elle répond: Comment un disque de poussière devient-il un système solaire ?

Laisse de côté : Le passage du caillou à la planétésimale, large de kilomètres, est encore plus supposé que dérivé.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif un cluster universitaire, de quelques jours à quelques semaines pour un disque.Depuis : 1978 Les premières simulations numériques d’accrétion de planétésimaux de Greenberg et ses collègues.

Dynamique orbitale

Les planètes qui s’attirent les unes les autres pendant des milliards d’années, avec les astéroïdes et les comètes qui se faufilent entre elles.

Question à laquelle elle répond: Le système solaire est-il stable, et cet astéroïde va-t-il heurter quelque chose ?

Laisse de côté : Le chaos veut dire qu’une minuscule erreur d’arrondi peut renverser la réponse au bout d’assez longtemps.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif un ordinateur de bureau ; des milliards d’années tiennent en quelques jours.Depuis : 1988 L’orrery numérique de Sussman et Wisdom a trouvé du chaos dans l’orbite de Pluton.

Lancer le modèle interactif

Atmosphères planétaires et d’exoplanètes

Des modèles climatiques adaptés à d’autres mondes : gaz, gravité, rotation et lumière stellaire différents.

Question à laquelle elle répond: De l’eau liquide pourrait-elle survivre à la surface de cette planète ?

Laisse de côté : Applique à des atmosphères pouvant se comporter très différemment des paramétrisations des nuages et de la chimie calibrées sur la Terre.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif un cluster universitaire, des jours par année planétaire simulée.Depuis : 1969 Le premier modèle de circulation générale de Mars, par Leovy et Mintz.

Intérieurs planétaires et dynamos

De la roche ou du métal chaud en convection au cœur d’une planète, modélisé pour voir s’il engendre un champ magnétique et comment la chaleur s’échappe vers la surface.

Question à laquelle elle répond: Pourquoi cette planète a-t-elle un champ magnétique, et pourquoi une autre, de taille semblable, n’en a-t-elle pas ?

Laisse de côté : Tourne à une viscosité et à une vitesse de rotation bien plus douces que celles d’un vrai noyau planétaire, puis extrapole par hypothèse.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif un cluster national, des semaines pour un modèle de structure interne.Depuis : 1995 premiers modèles informatiques en trois dimensions de la géodynamo qui engendre le champ terrestre.

Cratères d’impact

Un astéroïde ou une comète qui frappe une planète, modélisé de l’onde de choc dans le sol jusqu’au cratère, aux débris et aux effets climatiques laissés derrière.

Question à laquelle elle répond: Quel cratère, et quels dégâts, cet impacteur causerait-il ?

Laisse de côté : La résistance et la structure interne de l’impacteur sont généralement déduites de sa seule taille et de sa seule vitesse.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif un poste de travail ou un petit cluster, quelques heures par scénario d’impact.Depuis : 1980 premières simulations d’hydrocodes de cratères d’impact, stimulées par l’hypothèse de l’extinction des dinosaures.

Détection et caractérisation des exoplanètes

L’obscurcissement ou l’oscillation que provoquerait une planète dans la lumière de son étoile, calculés pour les comparer aux données réelles des télescopes et en tirer sa taille et son orbite.

Question à laquelle elle répond: Cette baisse de luminosité est-elle vraiment une planète, et si oui, quelle est sa taille ?

Laisse de côté : Les taches stellaires et le jitter stellaire peuvent imiter le signal d’une planète assez bien pour tromper une recherche automatique.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif un poste de travail ; de quelques minutes à quelques heures par signal candidat.Depuis : 1984 premiers modèles calculés de courbes de lumière utilisés pour planifier les premières recherches d’exoplanètes.

Simulations d’impacts géants

Hydrodynamique des particules lissées de deux corps de la taille d’une planète en collision, qui suit la fusion et les débris pouvant s’assembler en une lune.

Question à laquelle elle répond: Une collision entre de jeunes planètes a-t-elle pu produire la Lune ?

Laisse de côté : Les résultats dépendent de l’équation d’état et du spin et de l’angle initiaux supposés.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif Des millions de particules SPH avec des équations d’état réalistesDepuis : 2001 Origin of the Moon in a giant impact near the end of Earth’s formation (2001) source

Synthèse de populations de planètes

Des modèles semi-analytiques rapides de formation planétaire sont exécutés pour des milliers de systèmes simulés afin de produire une population statistique comparée aux relevés d’exoplanètes.

Question à laquelle elle répond: Quel mélange de masses de planètes et d’orbites une théorie de formation donnée prédit-elle ?

Laisse de côté : Chaque système est un modèle simplifié à une dimension, pas une exécution hydrodynamique complète.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif Des milliers de calculs peu coûteux de disque à une dimensionDepuis : 2004 Toward a deterministic model of planetary formation I (2004) source

Restitution de l’atmosphère des exoplanètes

Une atmosphère modèle exécutée des milliers de fois face à un spectre de transmission ou d’émission pour en déduire la température et les abondances moléculaires.

Question à laquelle elle répond: De quoi est faite l’atmosphère d’une planète lointaine ?

Laisse de côté : Les modèles unidimensionnels sont ajustés à des données de qualité limitée, si bien que les solutions dégénérées sont courantes.

Tourne sur : environ 10¹² FLOPS approximatif des millions d’évaluations de spectres dans un échantillonneur bayésien.Depuis : 2009 La méthode d’extraction de la température et des abondances pour les atmosphères d’exoplanètes de Madhusudhan et Seager. source

Modélisation du climat de la zone habitable

Un modèle climatique à une dimension d’une planète rocheuse à différentes distances de son étoile, qui équilibre lumière stellaire, gaz à effet de serre et nuages pour trouver où l’eau liquide peut durer.

Question à laquelle elle répond: À quelle distance de son étoile une planète peut-elle se trouver tout en gardant de l’eau liquide ?

Laisse de côté : Une seule colonne ne peut représenter ni les nuages ni le contraste jour-nuit, si bien que les bords de la zone se déplacent avec des modèles tridimensionnels.

Tourne sur : environ 10⁶ FLOPS approximatif une colonne radiative-convective à une dimension, assez légère pour un ordinateur portable.Depuis : 1993 Les zones habitables autour des étoiles de la séquence principale de Kasting, Whitmire et Reynolds. source

Formation des planétésimaux par instabilité de courant

Des grains de poussière dans un disque de gaz qui s’agglomèrent en premiers corps de la taille d’un kilomètre, simulés avec des particules et du gaz pour voir si la turbulence peut les concentrer assez pour qu’ils s’effondrent.

Question à laquelle elle répond: Comment les cailloux s’agglomèrent-ils en premiers blocs de construction planétaires ?

Laisse de côté : De petites boîtes couvrent une portion du disque, et les tailles de particules se situent dans une plage étroite.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif calculs en boîte locale en trois dimensions avec des centaines de millions de particules.Depuis : 2007 La formation rapide de planétésimaux dans des disques circumstellaires turbulents, par Johansen et ses collègues. source

Interaction planète-disque et migration

Une planète plongée dans le disque de gaz dont elle est née, qui entraîne un sillage en spirale qui la tire vers l’intérieur ou l’extérieur.

Question à laquelle elle répond: Pourquoi les planètes s’éloignent-elles de l’endroit où elles se sont formées ?

Laisse de côté : Le taux de migration est sensible à la thermodynamique et à la viscosité du disque, qui sont mal connues.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif des exécutions hydrodynamiques de disque sur des milliers d’orbites.Depuis : 2000 Les simulations hydrodynamiques de Kley sur la migration d’un système de protoplanètes. source

Fusions de trous noirs

Les équations d’Einstein résolues directement pendant que deux trous noirs spiralent l’un vers l’autre, ce qui produit le signal d’ondes gravitationnelles que les détecteurs écoutent.

Question à laquelle elle répond: Quelle forme d’onde devrions-nous voir pour deux trous noirs de ces masses ?

Laisse de côté : La dernière fraction de seconde avant la fusion exige encore des approximations qu’aucun ordinateur ne résout entièrement.

Tourne sur : environ 10^16.5 FLOPS approximatif un grand cluster, des semaines pour une forme d’onde.Depuis : 1964 La première collision frontale de deux trous noirs calculée, par Hahn et Lindquist.

Disques d’accrétion et jets

Du gaz magnétisé qui tombe en spirale dans un trou noir, chauffe et lance des jets qui courent sur des milliers d’années-lumière.

Question à laquelle elle répond: Comment un trou noir brille-t-il plus fort que la galaxie qui l’entoure ?

Laisse de côté : Ne peut pas suivre le disque jusqu’à l’échelle du trou noir lui-même et celle de la galaxie plus large à la fois.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif un grand cluster, des semaines pour une exécution de disque global.Depuis : 1991 Les simulations de Balbus et Hawley qui révèlent l’instabilité magnétorotationnelle.

Météo spatiale

Le vent solaire et les éruptions du Soleil qui frappent le champ magnétique terrestre.

Question à laquelle elle répond: Cette tempête solaire endommagera-t-elle des satellites ou des réseaux électriques, et quand arrive-t-elle ?

Laisse de côté : Prédit l’heure d’arrivée d’une éruption avec une précision modérée, et sa force avec nettement moins.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif le cluster d’un centre national de prévision, exécuté plusieurs fois par jour.Depuis : 1978 premières simulations MHD globales du vent solaire qui frappe le champ terrestre.

Fusions d’étoiles à neutrons

Deux étoiles à neutrons qui tournent en spirale l’une vers l’autre et entrent en collision, suivies à la fois par les équations d’Einstein et la physique nucléaire pour voir quels débris et quelle lumière sont projetés.

Question à laquelle elle répond: Cette fusion produit-elle un trou noir, et forge-t-elle les éléments lourds que l’on trouve sur Terre ?

Laisse de côté : La physique nucléaire d’une matière aussi dense n’est pas encore pleinement connue, si bien que la composition des débris comporte une vraie incertitude.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif une grande part d’un supercalculateur national, pendant des semaines.Depuis : 1990 premières simulations d’hydrodynamique relativiste de collisions d’étoiles à neutrons.

Magnétosphères de pulsars

Le champ magnétique et le plasma tourbillonnants autour d’une étoile à neutrons en rotation, calculés pour voir comment elle émet des ondes radio et des particules de haute énergie dans l’espace.

Question à laquelle elle répond: Pourquoi le faisceau d’un pulsar balaie-t-il périodiquement la ligne de visée, et qu’est-ce qui détermine sa forme ?

Laisse de côté : Le plasma à la surface même de l’étoile, là où le faisceau se forme réellement, reste mal compris sur le plan physique.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif un cluster universitaire, des jours par modèle de magnétosphère.Depuis : 1999 premières simulations globales du champ magnétique en rotation d’un pulsar.

Intérieur du Soleil et dynamo

Du plasma chaud en convection et en rotation à l’intérieur du Soleil, modélisé pour voir comment il enroule le champ magnétique en un cycle des taches solaires de onze ans.

Question à laquelle elle répond: Pourquoi l’activité magnétique du Soleil monte-t-elle et descend-elle selon un cycle de onze ans ?

Laisse de côté : Ne reproduit pas encore de façon fiable la période et l’amplitude du cycle sans régler le modèle sur les valeurs observées.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif un cluster national, des semaines pour un cycle simulé.Depuis : 1983 premières simulations de convection en trois dimensions de l’intérieur du Soleil.

Banques de modèles d’ondes gravitationnelles issues de la relativité numérique

Des centaines à des milliers de fusions de trous noirs simulées couvrant des rapports de masse et des spins, calibrées en modèles de formes d’onde que les détecteurs confrontent aux données.

Question à laquelle elle répond: À quoi ressemble le signal d’une fusion de trous noirs donnée ?

Laisse de côté : Les catalogues sont clairsemés dans l’espace des paramètres, si bien que les modèles de formes d’onde entre eux sont des ajustements, pas des simulations.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif des milliers d’exécutions de fusion, chacune de plusieurs semaines sur une grappe.Depuis : 2013 Le catalogue de 174 simulations de binaires de trous noirs de Mroue et ses collègues pour l’astronomie des ondes gravitationnelles. source

Défis de données simulées pour les ondes gravitationnelles

Des données de détecteurs simulées avec de nombreuses sources injectées et un bruit réaliste, pour tester si les chaînes d’analyse peuvent retrouver les signaux astrophysiques cachés dedans.

Question à laquelle elle répond: Une chaîne d’analyse peut-elle trouver et mesurer toutes les sources enfouies dans le bruit ?

Laisse de côté : Le bruit est idéalisé et la population de sources injectées est supposée, si bien que les complications des données réelles manquent.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif de nombreux longs flux de données avec des milliers de sources qui se recoupent.Depuis : 2006 Les Mock LISA Data Challenges, les premiers tests en aveugle de la communauté pour l’analyse des ondes gravitationnelles depuis l’espace. source

Simulation de la magnétosphère et des éruptions des magnétars

Le champ magnétique torsadé à l’extérieur d’un magnétar, l’étoile à neutrons aux champs les plus forts connus, suivi pendant qu’il accumule des contraintes, se reconnecte et libère des éruptions.

Question à laquelle elle répond: Comment le champ tordu d’une étoile à neutrons libère-t-il de l’énergie dans une éruption ?

Laisse de côté : Une physique sans force oublie l’inertie du plasma et la production de paires qui alimente les vraies éruptions.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif des simulations relativistes sans force sur un cluster.Depuis : 2012 La simulation de magnétosphères de magnétars qui se tordent et se reconnectent, par Parfrey, Beloborodov et Hui. source

Ombre de trou noir et rendu d’image

Des rayons lumineux tracés dans l’espace-temps courbe autour d’un trou noir et de son gaz chaud, pour prédire l’image en anneau qu’un télescope verrait.

Question à laquelle elle répond: À quoi ressemble, vu de la Terre, le gaz incandescent autour d’un trou noir ?

Laisse de côté : Le modèle de gaz est une conjecture de post-traitement, si bien que l’image dépend des températures électroniques et du champ magnétique supposés.

Tourne sur : environ 10¹⁵ FLOPS approximatif lancer de rayons à travers des milliers d’instantanés de simulations d’accrétion.Depuis : 2000 L’image simulée de l’ombre du trou noir au centre galactique de Falcke, Melia et Agol. source

Disruption par effet de marée d’étoiles par des trous noirs

Une étoile déchirée par un trou noir massif, ses débris étirés en un flux qui retombe et s’illumine, suivie par hydrodynamique.

Question à laquelle elle répond: Quelle part d’une étoile déchiquetée tombe dans le trou noir, et quelle est la luminosité de l’éruption ?

Laisse de côté : Le rayonnement qui rend l’éruption visible n’est qu’approximé, si bien que la courbe de lumière est déduite, pas simulée de bout en bout.

Tourne sur : environ 10¹⁶ FLOPS approximatif des calculs par particules lissées ou sur grille avec un traitement en relativité générale.Depuis : 1989 La simulation hydrodynamique de la rupture par effet de marée d’une étoile par un trou noir massif d’Evans et Kochanek. source

Transfert radiatif des kilonovæ

Le nuage lumineux de débris d’éléments lourds issu de la fusion de deux étoiles à neutrons, modélisé avec chauffage radioactif et transport du rayonnement pour prédire sa lumière et sa couleur.

Question à laquelle elle répond: Quelle est la luminosité et la rougeur de la rémanence d’une fusion d’étoiles à neutrons ?

Laisse de côté : Les opacités des éléments les plus lourds reposent sur des données atomiques incomplètes et dominent l’incertitude de la couleur prédite.

Tourne sur : environ 10¹⁴ FLOPS approximatif transport radiatif Monte Carlo multidimensionnel avec des données d’opacité atomique.Depuis : 2010 Le modèle de Metzger et ses collègues pour les contreparties électromagnétiques alimentées par la désintégration radioactive du processus r. source

Modélisation des ceintures de radiation

Des électrons et des protons de haute énergie piégés dans le champ magnétique autour d’une planète, déplacés par diffusion, injection et perte, pour prédire les dangers pour les satellites.

Question à laquelle elle répond: Pourquoi les ceintures de rayonnement piégé gonflent-elles et se vident-elles pendant les orages magnétiques ?

Laisse de côté : Les taux de diffusion onde-particule sont paramétrés à partir de mesures limitées, une source d’erreur majeure.

Tourne sur : environ 10¹³ FLOPS approximatif calculs de diffusion en trois dimensions sur des intervalles de tempête.Depuis : 1995 Le modèle tridimensionnel de la ceinture de rayonnement d’électrons de Beutier et Boscher. source

Inférence neuronale pour les ondes gravitationnelles

Un réseau de neurones est entraîné sur des millions de signaux de fusion simulés dans un bruit de détecteur synthétique, afin de donner presque instantanément les masses, les spins et la distance probables d’un nouvel événement.

Question à laquelle elle répond: Peut-on déduire en quelques secondes les propriétés d’une fusion de trous noirs, assez tôt pour pointer des télescopes dessus ?

Laisse de côté : Il ne vaut que ce que valent le modèle de forme d’onde et le bruit sur lesquels il a été entraîné, et des signaux inhabituels peuvent sortir de ce qu’il a appris.

Tourne sur : environ 10¹⁷ FLOPS approximatif des semaines d’entraînement GPU sur des formes d’onde simulées.Depuis : 2021 L’estimation neuronale a posteriori pour les événements d’ondes gravitationnelles de Dax et ses collègues. source