La materia visibile costituisce solo il 16% della massa totale dell'universo. Poco si sa della natura del resto di quella massa, che si chiamava materia oscura. Ancora più sorprendente è il fatto che la massa totale dell'universo rappresenta solo il 30% della sua energia. Il resto è energia oscura, che è totalmente sconosciuto ma è responsabile dell'espansione accelerata dell'universo.

Per saperne di più sulla materia oscura e l'energia oscura, gli astrofisici utilizzano indagini su larga scala dell'universo o studi dettagliati delle proprietà delle galassie. Ma possono interpretare le loro osservazioni solo confrontandole con le previsioni di modelli teorici di materia oscura ed energia oscura. Ma queste simulazioni richiedono decine di milioni di ore di calcolo sui supercomputer.

La collaborazione Extreme-Horizon è stata in grado di eseguire una simulazione dell'evoluzione delle strutture cosmiche dai primi istanti dopo il Big Bang fino ai giorni nostri, sul supercomputer Joliot-Curie, che offre una potenza di calcolo di 22 petaflop (22 x 10 ¹⁵ operazioni in virgola mobile al secondo). Il volume dei dati numerici elaborati ha superato i 3 TB (10 ¹² byte) ad ogni passo del calcolo, giustificare l'uso di nuove tecniche per la scrittura (codice RAMSES con affinamento della mesh adattiva) e la lettura dei dati di simulazione.

Cosmologia:correggere i dati della foresta Lyman-α

Il primo risultato della simulazione riguarda l'interpretazione di grandi strutture dell'universo lontano:le nubi di idrogeno intergalattiche. Gli astrofisici li rilevano misurando l'assorbimento della luce dai quasar, che sono estremamente luminosi per la presenza di un buco nero supermassiccio che attrae materia nel suo disco di accrescimento. Ciascuna delle nuvole lungo la linea di vista produce una linea di assorbimento (Lyman-α) con uno specifico redshift, a causa dell'espansione dell'universo. Tutte queste linee formano una fitta foresta, rivelando la distribuzione unidimensionale delle nubi di idrogeno, e quindi di materia, a distanze comprese tra 10 e 12 miliardi di anni luce (ly).

Però, molti buchi neri tra questi quasar e noi espellono una notevole quantità di energia nel mezzo intergalattico, modificando il suo stato termico e le proprietà della foresta Lyman-α. Il modello fisico utilizzato nella simulazione Extreme-Horizon descrive in dettaglio questo feedback, che distorce le stime dei parametri cosmologici di diversi punti percentuali. Il fattore di correzione calcolato sarà fondamentale, in particolare per l'esperimento DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) in costruzione in Arizona (U.S.), perché il bias può superare il 5%, mentre la precisione dell'obiettivo è dell'1%.

Galassie massicce ultracompatte si sono formate come un alveare

L'alta risoluzione della simulazione Extreme-Horizon nelle regioni a bassa densità significava che era in grado di descrivere l'accrescimento di gas freddo da parte delle galassie e la formazione di galassie massicce ultracompatte quando l'universo aveva solo 2 o 3 miliardi di anni. Queste galassie atipiche, recentemente osservato con il radiotelescopio Alma (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) in Cile, sono formati dal rapido raggruppamento di molte galassie molto piccole. È stato possibile identificare questo metodo di crescita "alveare" solo grazie all'eccezionale risoluzione di Extreme-Horizon.

Grande sfida al supercomputer Joliot-Curie

Progettato dalla società Atos per GENCI (il centro di calcolo ad alte prestazioni francese), il supercomputer Joliot-Curie, basato sull'architettura BullSequana di Atos, ha raggiunto un picco di potenza di calcolo di 22 petaflop nel 2020.

Le Grandi Sfide sono simulazioni e calcoli eccezionali eseguiti durante il periodo della Grande Sfida che segue l'installazione di una nuova partizione del computer. Questo periodo di tre mesi offre un'opportunità unica per un piccolo numero di utenti di accedere a una grande parte delle risorse della macchina. Beneficiano del supporto del TGCC e dei team del produttore, lavorare insieme per ottimizzare il funzionamento del computer durante questa fase di avvio.