Modèles d'étoiles

Par une belle nuit d’été, qui n’a pas regardé le ciel étoilé en se questionnant sur les mystères de l’existence?

Si la plupart des gens se contentent de regarder les étoiles de loin, cela ne suffit pas aux astrophysiciens. Ils veulent être au premier rang pour découvrir comment les étoiles se sont formées, de quoi elles sont faites et ce qui se trouve à l’intérieur. Ils veulent aussi percer les mystères de leur fonctionnement. Armés des réponses à ces grandes questions, les astrophysiciens projettent la contemplation traditionnelle des étoiles dans une tout autre orbite et peuvent spéculer sur le passé et l’avenir de l’univers.

Ce désir de comprendre l’univers est au cœur de la recherche effectuée à l’Institute for Computational Astrophysics (ICA) de l’Université Saint Mary's, à Halifax, en Nouvelle-Écosse. Comme seulement quelques instituts au monde, l’ICA utilise des ordinateurs haute performance pour partir à la découverte du ciel étoilé et effectuer de la recherche en astrophysique. « J’aimerais avoir accès à la galaxie et la manipuler comme le chimiste qui fait ses expériences en laboratoire, explique David Clarke, professeur d’astrophysique à l’Université Saint Mary’s. Comme cela n’est pas possible, je tente plutôt de modéliser des corps célestes au moyen d’un ordinateur et de me servir des résultats pour faire mes expériences. »

Pour autant qu’ils aient des ordinateurs suffisamment puissants pour résoudre toutes les équations, les astrophysiciens peuvent mathématiquement simuler les différentes conditions, connues et hypothétiques, d’une situation donnée et observer les résultats. « Avec la modélisation des étoiles, les ordinateurs ont commencé non seulement à nous offrir plus de réalisme, mais également à accroître notre capacité de résoudre les équations pertinentes », affirme Robert Deupree, directeur de l’ICA.

Compte tenu de leur grande complexité, les processus physiques qui déterminent la structure de l’atmosphère d’une étoile et la forme de son spectre optique ne peuvent être étudiés qu’au moyen de la modélisation mathématique. En créant des modèles informatiques de l’atmosphère des étoiles, les chercheurs peuvent simuler leur spectre optique. Puis, en comparant ces simulations aux spectres de vraies étoiles, ils peuvent mieux établir la composition chimique des différentes structures de notre galaxie et des autres galaxies aussi. Pour comprendre les origines et l’évolution des galaxies, découvrir la nature des premières étoiles et l’origine des éléments chimiques, il faut découvrir la composition chimique de l’univers dans l’espace et le temps.

Les ordinateurs haute performance, ou superordinateurs, diffèrent des ordinateurs personnels d’utilisation courante. En résumé, ils conjuguent la puissance de nombreux processeurs pour effectuer simultanément des calculs savants et très élaborés. Sans la puissance de ces ordinateurs, le travail des astrophysiciens de l’ICA serait tout simplement impossible.

Retombées

De par son existence et sa croissance, l’Institute for Computational Astrophysics, qui fait appel à la puissance de superordinateurs pour étudier le ciel, contribue à l’évolution de l’astronomie.

Traditionnellement, les astrophysiciens ont étudié et expliqué les astres grâce à l’observation et à la théorie. Au cours des 25 dernières années, des astrophysiciens ont cessé de regarder le ciel pour tourner leur regard vers leur écran d’ordinateur et modéliser les objets du cosmos. Grâce à la puissance et à la capacité d’emmagasiner des données toujours plus grandes des machines, ils ont ajouté l’expérimentation à l’observation et ont fait de la théorie le troisième volet de leur recherche scientifique.

Les astrophysiciens de l’ICA ont mis au point la plupart des logiciels qu’ils utilisent. David Clarke est coconcepteur du logiciel ZEUS-3D, qui permet la modélisation en 3D de jets, fluides et disques astrophysiques. Grandement utilisé par d’autres astrophysiciens, cet outil est devenu un incontournable dans le monde de la recherche. David Clarke travaille d’ailleurs à la mise au point d’une version beaucoup plus puissante.

Au cours des prochaines années, le lien entre le calcul et l’observation sera encore plus étroit. Grâce aux simulations et aux modèles réalisés dans le cadre de la recherche menée à l’ICA, les futurs astrophysiciens seront mieux équipés pour étudier en profondeur une vaste gamme de problèmes astrophysiques qui demeurent toujours sans réponse.

La demande pour des ordinateurs haute performance augmente au fur et à mesure que la recherche progresse (selon les chercheurs, la capacité de traitement et de mémoire double tous les deux ans). Le travail effectué à l’ICA fait sans cesse croître les attentes vis-à-vis les machines et augmente aussi ses besoins en matière informatique.

Partenaires

L’Université Saint Mary's a fait beaucoup de chemin depuis 1999, année de sa modeste entrée dans le monde de l’astrophysique computationnelle.« Il s’agit d’une étape importante pour l’ICA, pour l’Université Saint Mary’s et pour les autres universités du Canada atlantique, précise Robert Deupree. Nos calculs haute performance sont ainsi portés à un nouveau niveau, qui nous classe premiers au Canada sur le plan de la capacité de traitement de données. »

Au début, trois membres du corps enseignant du département d’astronomie et de physique — David Clarke, David Guenther et Malcolm Butler — partageaient avec des enseignants et étudiants d’autres départements ce qui était alors considéré comme un ordinateur haute performance. Aujourd’hui, l’Université Saint Mary's fait partie d’ACEnet, l’Atlantic Computational Excellence Network. ACEnet est le plus jeune des six réseaux régionaux de ce type au Canada, combinant grappes de terminaux et plateformes de mémoire partagée (SMP – Shared Memory Platform). Les systèmes de vidéoconférence de pointe de tous les établissements membres joueront un rôle déterminant dans la communication au sein d’ACEnet, et le centre de visualisation haute technologie situé à l’Université Saint Mary's comptera parmi les 10 installations du genre au monde.

« Il s’agit d’une étape importante pour l’ICA, pour l’Université Saint Mary’s et pour les autres universités du Canada atlantique, précise Robert Deupree. Nos calculs haute performance sont ainsi portés à un nouveau niveau, qui nous classe premiers au Canada sur le plan de la capacité de traitement de données. »

C’est l’Université Memorial de Terre-Neuve qui dirige ACEnet. Les autres membres sont l’Université St. Francis Xavier, l’Université du Nouveau-Brunswick, l’Université Mount Allison, l’Université Dalhousie et l’Université de l’Île-du-Prince-Édouard.