Présentation de la méthode de travail et des résultats du projet Milkyway@home

Depuis son lancement, le projet Milkyway@home a permis la publication de 5 articles scientifiques. Cependant, ces articles sont extrêmement difficile à comprendre pour toute personne qui n'a pas de solides connaissances en informatique et en astrophysique. John Vickers a donc pris l'initiative de résumer et d'expliquer avec des mots simples les résultats et la méthode de travail du projet. John anticipe également les développements à venir de la recherche Milkyway@home. Sur le long terme, le modèle, actuellement utilisé pour modéliser les interactions entre notre Galaxie et la Galaxie Naine elliptique du Sagittaire, pourrait permettre la création de toutes sortes de simulations galactiques et apporter quelques indices dans la recherche de la matière noire.

Traduction du message de John Vickers (forum du projet Milkyway@home)

Voici une représentation (l, b) de la zone du ciel couverte par le programme de relevé des objets célestes (SDSS1 à gauche et SDSS2 à droite) (l et b correspondent respectivement à la longitude et à latitude galactique, l'équateur correspond au plan galactique).

Mais à quoi peut bien servir ce répertoire de quelques millions de points disposés dans un espace en trois dimensions autrement qu'à s'attaquer à un imposant problème ? Bien sûr, on peut placer tout un tas de points et ainsi obtenir une magnifique carte du ciel , mais encore une fois, que signifie cette image ?

C'est là que les chercheurs astrophysiciens entrent en jeu. L'un des dossiers brulants de l'astronomie galactique (l'astronomie qui étudie notre Galaxie, la Voie lactée) consiste à établir une cartographie des courants stellaires. L'idée directrice consiste à dire que la Voie lactée se mélange et s'entrelace avec plusieurs petites galaxies. Cet entremêlement est probablement dû à des collisions galactiques qui ont débuté dans l'histoire ancienne de notre Galaxie et qui se poursuivent encore aujourd'hui (cliquez ici pour visionner une simulation qui décrit comment une collision galactique transforme une galaxie en courant stellaire, simulation de Kathryn V. Johnston, Université Columbia). Mais ne vous inquiétez pas, il est très rare que de la matière (des étoiles ou des planètes) entre en collision, le vide interstellaire est si vaste qu'une collision est hautement improbable. La Galaxie Naine du Sagittaire est l'une des galaxies les plus proches de la nôtre, et c'est le centre de toute les attentions pour le projet Milkyway@home.

En général, un problème astrophysique exige de créer un modèle informatique qui reproduira ce que nous observons dans le ciel. Si le modèle correspond exactement à ce que nous observons, alors les informations que le modèle revêle nous permettra de progresser pour travailler sur un problème encore plus grand et complexe. Actuellement, Milkyway@home sert à modéliser un disque d'étoiles. Les scientifiques prennent comme données de départ un échantillon de 2,5 degrés d'arc (on appelle cela une portion ou une tranche d'espace : wedge ou stripe). En partant des données de départ et en supprimant le ou les courants stellaires, le programme tente de créer un nouvel échantillon où la densité d'étoiles sera uniformément répartis dans la portion (l'échantillon). Les courants supprimés sont nécessairement de forme cylindrique et la densité d'étoiles emportés par ces courants chute en suivant un modèle gaussien (dense au milieu et clairsemé sur les bords).

Voici un exemple d'échantillon de dispersion. Le disque en haut à droite représente les données de départ, il s'agit d'une représentation de la densité d'étoiles dans la portion d'espace sélectionnée. Plus la zone est foncée et plus la densité d'étoiles est forte, plus la zone est claire et plus la densité d'étoiles est faible. Le disque du bas représente le cylindre stellaire supprimé, et le disque en haut à gauche représente la portion d'étoiles corrigé et uniforme que nous recherchons. Ce dernier disque est obtenu en supprimant les étoiles représentées dans le disque du bas. Pour vous donner une idée, nous (le système solaire) sommes situés en plein centre du disque (puisque l'ensemble de nos données ont été recueillies sur Terre).

Les courants stellaires masquent 6 paramètres : le poids (% d'étoiles dans le courant stellaire), mu (l'angle de la portion, donné par la circonférence des portions représentées ci-dessus), r (une longueur donnée par le rayon du cercle), phi (un angle dans un espace en 3D qui indiquera la direction du cylindre supprimé), theta (le seconde angle requis)  et sigma (la largeur).  Chaque portion d'espace possède 2 paramètres : q (une mesure de l'épaisseur de la sphéroïde) et r0 (la longueur de l"axe principal passant au centre de la sphéroïde). Ainsi nous obtenons 2+6n paramètres pour chaque série de calcul, n est le nombre de courants modélisés.

Voici une représentation possible du courant de la Galaxie Naine du Sagittaire (Vue de haut en bas). Au centre de l'image, vous pouvez reconnaitre la Voie Lactée. Notre Soleil est représenté par le petit point vert. En bleu sont représentées les étoiles de la galaxie Naine du Sagittaire que nous étudions. Ces points sont situés sur le même axe que le courant de la galaxie Naine du Sagittaire, alors imaginez que vous regardez une structure semi-plate située en dessous de vous. Cliquez ici pour visionner une représentation en trois dimensions modélisée par David Law de l'Université de Virginie.

Ce que nous voulons faire, c'est obtenir le plus de points possibles grâce à BOINC. Nous pouvons utiliser les paramètres mu et r  pour localiser un point dans l'espace, et les angles phi et theta pour tracer la direction du courant.  Nous obtenons une image similaire à celle présentée ci-dessous :

Voici une réprésentation de l'ensemble des points et des directions trouvées par Nathan Cole. C'est exactement la même chose que l'image précédente en moins artistique.

Voici maintenant la même représentation mais cette fois ci vue dans un plan que l'on a tourné de 90° par rapport à la représentation précédente. Imaginez maintenant que le graphique précédent était dessiné sur une feuille de papier, dans la première représentation vous regardiez cette feuille par en haut, maintenant vous inclinez cette feuille jusqu'à ne voir qu'une simple ligne (vous ne voyez plus la surface de la feuille mais plus que son épaisseur. Cette ligne (qui représente un plan) est illustrée par le trait horizontal au centre du graphique. Ainsi les deux graphiques permettent de situer les étoiles et les directions du courant dans un espace en 3 dimensions.

Ainsi, pour chaque série de calcul, nous voulons obtenir trois bons indicateurs :
Premièrement, le graphique de dispersion devrait donner un espace plus uniforme. Si l'on note encore la présence de surdensités, alors nous n'aurons pas une image précise des 2 paramètres de la sphéroïde.
Deuxièmement, les vecteurs représentés dans le graphique doivent être cohérents, nous voulons que le courant stellaire s'écoule comme un flux et non pas qu'il zigzague dans l'espace comme c'est le cas ici.
Troisièmement, nous voulons que les vecteurs représentés dans le plan perpendiculaire soient à peu près parallèles au plan. Encore une fois nous voulons un flux et non pas un slalom.

Nous avons réussi ces défis et c'est l'objet de la thèse de Nate. Alors, qu'allons nous faire maintenant ? Concrètement, à ce stade, nous voulons améliorer la précision et l'exactitude de nos résultats. Pour ce faire, nous avons pompé toutes les données du SDSS et nous avons extrait et réassemblé des portions (échantillons de données) perpendiculaires au courant stellaire. L'idée générale est que les échantillons perpendiculaires seront plus faciles à déchiffrer que les échantillons de travers par rapport au courant stellaire. Ainsi nos erreurs de mesure seront réduites et la fiabilité des résultats sera plus grande. J'ai commencé une série de calcul sur BOINC en utilisant cette nouvelle géométrie spatiale (tous les calculs récents notés *_sgr_*) . Je travaille avec ces données depuis l'été dernier sur les 88 processeurs de la grille WCL ici à l'Institut Polytechnique Rensselaer. Pour vous donner une référence, j'ai calculé un groupe de calcul en une semaine sur la grille de calcul de l'institut. Maintenant, on reçoit 5 groupes de calcul par jour sur BOINC, c'est fantastique.

Voici un schéma qui illustre l'idée. La ligne bleue représente le courant en question et les lignes noires représentent les portions (échantillons) sélectionnées dans les données. A gauche, c'est les portions du SDSS, et à droite le schéma représente les portions que nous utilisons pour la série de calcul SGR perpendiculaire (perpendicular SGR stripes)

Voici une juxtaposition de l'une des tranches de Nate (à gauche, tranche 13 du SDSS) et l'une des miennes (à droite, tranche 35 sgr) dans la même zone d'un espace en trois dimensions. Notez comme le courant s'étend presque sur toute la longueur de la tranche puisque la portion de données est de travers (pas perpendiculaire) par rapport au courant. Alors que le mien est beau et compact. Ceci explique les petites erreurs dans les résultats annoncés.

Donc, notre objectif est maintenant de cartographier de nouveau l'ensemble du courant de sorte qu'il soit aussi cohérent tout en étant plus précis que dans les résultats de Nate. Ensuite (en étant optimiste, dans environ deux mois), j'essayerai de cartographier tous les autres courants stellaires que nous réussirons à trouver dans les données pour les effacer de la même manière. Puis, mon camarade de classe, Matt Newby, pourra mettre en route son projet qui consiste à modéliser les deux paramètres de la sphéroïde sur l'ensemble du ciel (calculer simultanément 30 portions/échantillons sur BOINC en recherchant 0 courant stellaire).

Ces recherches sont deux vastes thèmes de recherche de l'astrophysique moderne. Tout d'abord, la localisation et la direction du courant d'étoiles du Sagittaire est encore discuté. Certaines personnes (Nate en fait partie) pensent que le courant tourne vers nous. D'autres pensent que le courant entre en collision au dessus du Soleil. Le sphéroïde a besoin d'être plus fidèlement modélisé. Notre modèle pourrait permettre de faciliter la création des simulations galactiques, car il y aurait moins de variables inconnues dans ces simulations. Cette recherche pourrait également fournir de précieux indices dans la quête de la matière noire.

Collision galactique et courant stellaire (Milkyway@home)

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Cette simulation tente de montrer comment, sous l'influence des forces de marée de la galaxie principale, une collision galactique transforme une petite galaxie elliptique en courant stellaire.
Simulation de Kathryn V. Johnston, Université Columbia.

Représentation 3D de Galaxie Naine du Sagittaire
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