Ce projet vise à améliorer la synergie entre les observations astronomiques, les simulations cosmologiques numériques et la modélisation des galaxies. Les futurs instruments tels qu'Euclid, DESI et Rubin LSST, entre autres, permettront des relevés de galaxies à champ large avec des mesures extrêmement précises. La précision accrue des observations exigera cependant des prévisions théoriques robustes des modèles de formation des galaxies pour parvenir à une compréhension approfondie de la physique fondamentale sous-jacente aux mesures cosmologiques.

Pour atteindre cet objectif, les exa-supercalculateurs joueront un rôle clé. Contrairement aux supercalculateurs modernes, qui se composent généralement de milliers de CPU pour la production de simulations de pointe, les exa-supercalculateurs utiliseront une configuration hybride de CPU hôtes avec des accélératrices GPU. Cette configuration permettra d'effectuer jusqu'à 10^18 opérations par seconde. Les exa-supercalculateurs révolutionneront notre capacité à simuler des volumes cosmologiques s'étendant sur 4 gigaparsecs (Gpc) avec 25 billions de particules, les exigences minimales en termes de volume et de résolution nécessaires pour faire des prédictions sur les données d'Euclid.

Cependant, le défi à ce jour réside dans le fait que les logiciels de simulation cosmologique conçus pour les exa-supercalculateurs manquent de modélisation de la formation des galaxies. Des exemples incluent le code HACC-CRKSPH (Habib et al. 2016, Emberson et al. 2019) et PKDGRAV3 (Potter, Stadel & Teyssier 2017), qui ont produit les plus grandes simulations à ce jour, FarPoint (Frontiere et al. 2022), regroupant 1,86 billion de particules dans un volume de 1 Gpc, et Euclid Flagship (Potter, Stadel & Teyssier 2017), présentant 2 billions de particules dans un volume de 3 Gpc, respectivement. Alors que HACC-CRKSPH et PKDGRAV3 ont été développés pour fonctionner sur des supercalculateurs modernes avec accélération GPU, ils manquent de la physique complexe de la formation des galaxies et ne peuvent donc produire que des boîtes cosmologiques basées uniquement sur la gravité.

Le code SWIFT (Schaller et al. 2023) est un effort parallèle qui a produit Flamingo (Schaye et al. 2023), la plus grande simulation intégrant la gravité, l'hydrodynamique et la physique de la formation des galaxies, regroupant 0,3 billion de particules. Cependant, l'inconvénient de SWIFT est qu'il a été principalement conçu pour une utilisation CPU. L'adaptation de SWIFT pour fonctionner sur des GPU modernes nécessitera la refonte complète du code. Un autre exemple concerne les simulations actuelles de la formation des galaxies réalisées à l'Irfu, telles qu'Extreme Horizon (Chabanier et al. 2020), qui ont également atteint leur limite car elles reposent sur des codes basés sur les CPU qui entravent leur extensibilité.

Comprendre les subtilités de la formation des galaxies est essentiel pour interpréter les observations astronomiques. Dans cette quête, le CEA DRF/Irfu est idéalement positionné pour conduire les avancées en astrophysique à l'ère émergente des exascales. Les chercheurs de DAp et DPhP ont déjà entrepris l'analyse de données de haute qualité de la mission Euclid et de DESI. Simultanément, une équipe de DEDIP développe DYABLO (Durocher & Delorme, en préparation), un code robuste de gravité + hydrodynamique spécialement adapté aux exa-supercalculateurs.

Ces dernières années, d'importants investissements ont été orientés vers l'avancement de DYABLO. De nombreux chercheurs de DAp et de DEDIP ont contribué sur divers aspects (de l'hydrodynamique de la physique solaire à l'amélioration des processus d'entrée/sortie) grâce à des subventions collaboratives telles que la subvention PTC-CEA et le projet européen FETHPC IO-SEA. De plus, DYABLO a bénéficié d'interactions avec l'unité de recherche CEA, Maison de la simulation (CEA & CNRS).

Ce projet ambitieux vise à étendre les capacités de DYABLO en intégrant des modules de formation des galaxies en collaboration avec Maxime Delorme. Ces modules comprendront le refroidissement et le chauffage radiatifs du gaz, la formation d'étoiles, l'enrichissement chimique, la perte de masse stellaire, la rétroaction d'énergie, les trous noirs et la rétroaction des noyaux actifs de galaxies. L'objectif ultime est d'améliorer l'analyse des données d'Euclid et de DESI en générant des prévisions de simulation de la formation et de l'évolution des galaxies à l'aide de DYABLO. L'ensemble initial de données impliquera un examen complet de la distribution de la matière et de la distribution des galaxies, en partenariat avec les chercheurs de DAp/LCEG et DAp/CosmoStat.

Cette thèse créera la première version d'un code de formation des galaxies optimisé pour les supercalculateurs à l'échelle exa. Les développements en cours permettront non seulement d'étendre ses capacités, mais aussi d'ouvrir de nouvelles opportunités pour des recherches approfondies, améliorant la synergie entre les observations astronomiques, les simulations cosmologiques numériques et la modélisation des galaxies.

References:
Habib, S., et al., 2016, New Astronomy, Volume 42, p. 49-65.
Emberson, J.D., et al., 2019, The Astrophysical Journal, Volume 877, Issue 2, article id. 85, 17 pp.
Potter, D., Stadel, J., & Teyssier, R., 2017, Computational Astrophysics and Cosmology, Vol. 4, Issue 1, 13 pp.
Frontiere, N., et al., 2023, The Astrophysical Journal Supplement Series, Volume 264, Issue 2, 24 pp.
Schaller, M., et al., 2023, eprint arXiv:2305.13380
Schaye, J., et al., 2023, eprint arXiv:2306.04024
Chabanier, S., et al., 2020, Astronomy & Astrophysics, Volume 643, id. L8, 12 pp.