Une sombre histoire d'énergie noire…

Au début du XXe siècle la science considérait l'Univers comme étant statique,  immuable et relativement homogène. La notion même de galaxie n'existait pas encore et il faudra attendre 1923 et Edwin Hubble pour réaliser que les taches floues observées par les astronomes et alors baptisées nébuleuses sont des "univers-îles" c'est-à-dire des galaxies semblables à la nôtre et constituées de myriades d'étoiles.

L'Univers est donc statique et Einstein est un peu perturbé lorsqu'il constate que sa théorie de la gravitation (la relativité générale) prédit naturellement un univers en expansion. Il trouva cela tellement peu naturel qu'il crut bon d'ajouter une constante dans ses équations afin de rendre (artificiellement) l'univers statique.

Entre 1925 et 1929 Edwin Hubble et Milton Humason (je conseille de lire sa fiche Wikipedia car son histoire est savoureuse…) en observant le décalage vers le rouge des spectres  de certaines étoiles extragalactiques nommées céphéides dont on est capable de déterminer la distance, découvrent que celles-ci semblent s'éloigner de nous et ceci d'autant plus vite qu'elles sont situées à une grande distance. Hubble et Humason établissent la loi dite de Hubble qui relie la distance des objets cosmiques à leur vitesse de récession, sans parait-il en saisir toute la portée.

Entre temps et indépendamment, Alexandre Friedmann et le chanoine Georges Lemaître ont réalisé que les équations de la relativité générale prédisent un Univers en expansion. Les mesures de Hubble et Humason confirment donc cette prédiction remarquable. La controverse scientifique battra son plein pendant des années avant que ne s'impose cette théorie dite du "Big Bang", sobriquet inventé par l'astronome Fred Hoyle qui était convaincu que l'Univers était stationnaire.

L'incrédulité étant passée, tout allait bien avec l'Univers en expansion et la loi de Hubble qui relie la vitesse de récession des objets cosmiques à leur éloignement (plus un objet est loin plus il semble s'éloigner de nous à une grande vitesse). Le principal problème était alors de mesurer précisément la constante de Hubble et de déterminer la géométrie de l'Univers : plat (la gravité et l'expansion se compensent exactement, l'expansion est infinie mais tend à s'arrêter), fermé (la gravité l'emporte et l'Univers se recontracte), ou bien ouvert (l'expansion l'emporte et l'Univers se dilue à l'infini).

Pour tirer au clair cette affaire de géométrie de l'Univers, les astrophysiciens devaient trouver le moyen de mesurer le plus précisément possible la vitesse d'éloignement d'objets lointains situés à une distance connue. Pour cela ils ont recherché des "chandelles standards", c'est-à-dire des astres dont les caractéristiques physiques permettent de déterminer leur luminosité intrinsèque. En comparant la luminosité intrinsèque à la luminosité apparente mesurée depuis la Terre, il est facile de déterminer la distance de l'objet. Pour ce faire, Edwin Hubble avait utilisé des étoiles variables appelées Céphéides (l'étoile Polaire par exemple) dont le très fort éclat varie selon une période qui dépend de sa luminosité intrinsèque. Ces "chandelles" sont fiables, mais on ne peut les discerner que si elles ne sont pas trop éloignées et cela limite l'exploration à la proche banlieue de la Voie  Lactée. Afin de sonder l'Univers plus lointain, les astronomes utilisent des astres ayant une luminosité bien plus grande que les Céphéides, il s'agit de supernovae d'un type bien particulier dit "1A", dont le processus de formation est supposé suffisamment bien compris pour qu'on puisse déterminer la luminosité absolue de la supernova en observant précisément l'évolution du spectre de la lumière qu'elle émet. Le problème est qu'il y a très peu de supernovae qui explosent et seulement une fraction d'entre elles sont du type 1A. De plus, pour qu'elles soient exploitables pour mesurer l'Univers, il faut les détecter très tôt après l'explosion et suivre leur évolution. Il faut donc des télescopes dédiés qui scrutent le ciel en permanence à la recherche d'une étoile qui s'allume dans une lointaine galaxie.

La supernova SN2005cs dans la galaxie M51 située à 31 millions d'années-
lumière, photographiée avec mon matériel d'amateur en 2005. Les autres
étoiles appartiennent à notre propre galaxie et sont donc beaucoup plus
proches.

En résumé la mesure de l'évolution du spectre d'une supernova permet de remonter à sa luminosité intrinsèque donc à sa distance. La mesure du décalage vers le rouge de sa lumière est reliée à la vitesse à laquelle l'espace situé entre l'observateur et la supernova se dilate sous l'effet de l'expansion de l'Univers.

En 1998, deux équipes concurrentes : le Supernova Cosmology Project et le High-Z Supernova Search Team,  collectent depuis quelques années des données sur les supernovae 1A, toutes deux s'attendent à trouver des indications en faveur d'un ralentissement de la vitesse d'expansion de l'Univers. Si tel était le cas, une supernova très lointaine (c'est-à-dire qui s'est allumée il y a très longtemps) devrait s'éloigner proportionnellement plus vite qu'une supernova proche (c'est-à-dire qui s'est allumée récemment).  Curieusement les deux équipes observent exactement l'inverse ! La conclusion est donc que l'expansion de l'Univers est actuellement en train de s'accélérer.

Cette curieuse observation a depuis été confirmée par d'autres équipes et par d'autres méthodes, en particulier les mesures du rayonnement de fond cosmologique, c'est-à-dire de la lumière émise environ 380 000 ans après le Big-Bang, au moment où l'Univers est devenu transparent pour le rayonnement, indique qu'une mystérieuse forme d'énergie dite "noire" ou "sombre" contribue pour plus de 70% à la densité d'énergie de l'Univers. C'est cette énergie noire qui est responsable de l'expansion accélérée de l'Univers. 

Nous n'avons actuellement que des idées très spéculatives sur la nature de l'énergie noire. Pour avancer dans la compréhension et la caractériser, il faut réaliser des mesures plus précises en sondant l'Univers.  En gros, deux types de modèles s'affrontent: soit la densité d'énergie noire est uniforme et constante dans l'Univers, auquel cas cela plaide en faveur d'un terme supplémentaire dans les équations de la relativité générale, il s'agit d'une constante cosmologique telle que celle qu'Einstein avait introduit pour rendre l'Univers statique (ironie !). Soit la densité d'énergie noire  n'est pas constante, et on a affaire à un modèle de "quintessence" (le cinquième élément) nommé ainsi comme un clin d'œil aux quatre éléments des grecs: la terre, l'air, l'eau et le feu, devenus pour les cosmologistes la matière ordinaire, la matière noire froide, le rayonnement et les neutrinos. Le cinquième élément serait une sorte d'Éther emplissant tout l'espace.  Les deux possibilités ne sont pas faciles à distinguer, car il est possible que les variations de la densité d'énergie noire soient très subtiles.

Dans tous les cas, les physiciens sont face à un problème majeur, l'énergie noire est peut-être l'arbre qui cache la forêt et un pan entier de nouvelle physique est peut-être sur le point d'émerger. De la compréhension de ce problème résultera notre connaissance de l'avenir de l'Univers ; celui-ci se recontractera-t-il  pour  renaitre dans un nouveau Big-Bang, ou bien au contraire l'énergie noire deviendra-t-elle à ce point prépondérante que la matière elle-même se disloquera (Big-Rip) ? Il est en effet tout à fait possible que nous vivions actuellement dans une phase très particulière et éphémère de l'Univers. Alors profitons en avant de peut-être disparaitre à jamais !

Une page se tourne

Aujourd'hui est un triste de jour : Pier Oddone, le directeur du Fermi National Accelerator Laboratory plus connu sous le nom de Fermilab, vient d'annoncer qu'il n'avait pas pu obtenir les crédits nécessaires au fonctionnement de l'accélérateur Tevatron et que celui-ci s'arrêterait donc définitivement à la fin de l'année 2011. Cette décision va à l'encontre de l'avis du très sérieux HEPAP (High Energy Physics Advisory Panel) qui avait recommandé de faire fonctionner cet accélérateur jusqu'à la fin 2013. Au-delà des difficultés budgétaires, il est probable que l'excellent fonctionnement du LHC en 2010 et la très probable décision de ne pas procéder à l'arrêt technique initialement prévu en 2012 a dû contribuer à pousser Fermilab à stopper le Tevatron.

Le bâtiment principal de Fermilab et le lac

Le Tevatron accélère en sens inverse un faisceau de protons et un faisceau d'antiprotons et les fait entrer en collision au centre de deux grands détecteurs : CDF et D0. L'énergie de chacun des faisceaux est de pratiquement 1 TeV (Tera électronVolt) soit  l'énergie acquise par un électron soumis à une différence de potentiel de 1 million de milliards de volts. C'est à cette énergie, quelque peu mythique lors de sa construction, que fait référence son nom.

Le Tevatron a été une machine d'avant-garde, entièrement constituée d'éléments supraconducteurs. Il y a en effet près d'un millier d'aimants en alliage niobium-titane capable de fournir le champ magnétique intense nécessaire au guidage des faisceaux. Les débuts furent difficiles et je me souviens de collègues partis en séjour postdoctoral à Fermilab et qui sont revenus en France sans avoir vu le faisceau. Mais une fois la machine au point, les deux collaborations internationales CDF et D0 ont fourni  une moisson de résultats de physique dont la découverte en 1995 du "top", dernier élément de la famille des quarks.

Avec le démarrage du LHC an 2009, la compétition entre le CERN et Fermilab pour la découverte du Higgs était lancée. Aujourd'hui le Higgs n'est pas encore découvert mais le LHC, au CERN, avec son énergie supérieure, s'annonce mieux placé pour le découvrir. C'est peut-être une excellente opportunité pour l'Europe scientifique, mais c'est un déchirement de voir une aussi belle machine s'arrêter. J'ai vécu personnellement l'arrêt de deux grands accélérateurs, le LEP au CERN et PEP II au SLAC, ce ne sont pas des bons souvenirs...

Fermilab doit maintenant rebondir et assurer au mieux son ambitieux programme de recherche sur la physique des neutrinos. D'autres projets sont à l'horizon, notamment avec "Project X" qui vise à réaliser un accélérateur de protons à très haute intensité (et non pas énergie), brique de base vers une nouvelle génération d'expériences sur les neutrinos et de façon ultime vers un collisionneur de muons. Heureusement les coupures budgétaires ne brident pas l'imagination des physiciens et gageons que ceux-ci sauront se montrer suffisamment convaincants pour trouver les moyens de concrétiser leurs plus fantastiques idées.

Le destrier d'Orion

La photographie ci-dessous a été prise hier soir depuis mon jardin avec une petite lunette de 66 mm de diamètre pour 400 mm de focale et équipée d'un filtre H alpha. L'image finale résulte de l'empilement de 16 poses individuelles de 4 minutes. Le temps d'exposition total est donc de 1 heure et 4 minutes.

Il s'agit de la "Tête de Cheval" dans la nébuleuse IC434 ; elle est située à environ 1500 années lumière de la Terre dans la constellation d'Orion. La Tête de Cheval elle-même fait partie d'un nuage de poussières dense qui masque une nébuleuse en émission, c'est-à-dire un nuage d'hydrogène excité par l'intense rayonnement émis par une étoile voisine. En bas à gauche, on distingue une portion de la nébuleuse de la Flamme et juste au dessus, se trouve l'étoile Alnitak, visible à l'œil nu comme l'étoile la plus à l'Est du "baudrier d'Orion".

Dans le ciel, le champ couvert par la photographie représente deux fois le diamètre de la pleine Lune, c'est-à-dire que si nos yeux étaient suffisamment sensibles, il serait alors possible de voir ce spectacle magnifique sans aucun grossissement.

La nébuleuse de la Tête de Cheval a été observée pour la première fois en 1890 par Williamina Paton Stevens Fleming qui ayant été abandonnée par son mari, était entrée au service du célèbre astronome Edward Charles Pickering. La petite histoire dit que ce dernier, mécontent de ces assistants masculins avait offert à sa femme de chambre un poste à l'observatoire.
La photographie ci-dessus montre la plaque photographique analysée par Williamina Fleming sur laquelle la Tête de Cheval apparait pour la première fois. Williamina Fleming fut l'auteure de biens d'autres découvertes dont celle des étoiles de type "naines blanches".
Orion est la constellation typique du ciel d'hiver. Outre la Tête de Cheval et la Flamme, elle renferme la grande nébuleuse d'Orion, immense nuage de gaz que l'on distingue à l'œil nu si la nuit est bien noire. Sortez dehors, levez le nez, bravez le froid, c'est superbe...

Théories physiques et représentations du monde (2)

L'émergence des nouvelles théories de la physique moderne au XXe siècle, avec les relativités (restreinte et générale) et la mécanique quantique, s'est accompagnée d'une complexification considérable de la représentation des mondes qu'elles décrivent.

Les concepts de mécanique classique ne posent aucun problème de compréhension car ils décrivent le plus souvent le comportement d'objets courants, macroscopiques, évoluant à des vitesses humainement concevables... Il est facile d'imaginer ou de réaliser des expériences qui en illustrent les principaux aspects et les effets observés heurtent rarement le sens commun.

La représentation de la mécanique céleste commence déjà à poser quelques problèmes. Il faut, par exemple, admettre que des corps massifs interagissent entre eux grâce à une force de portée infinie et proportionnelle à la masse des corps en question.  Il faut également admettre qu'un corps mis en mouvement dans le vide et soumis à aucune force va conserver ce mouvement indéfiniment. C'est logique quand on y pense, mais ce n'est absolument pas intuitif si on se réfère aux situations de la vie courante où les frottements tendent à stopper tout mouvement après un temps relativement court à l'échelle humaine.

Le problème se complexifie considérablement avec les relativités et la mécanique quantique car ces théories décrivent  des situations que nous n'observons pas dans la vie courante. Par exemple pour un Être Humain normalement constitué, le temps est absolu : il s'écoule du passé vers le futur  de la même manière en tout point du globe et quelques soient les conditions dans lesquelles on se trouve. La vie courante est construite autour de ces principes et les horloges synchronisées à quelques fractions de seconde près rythment notre existence. La notion de relativité du temps en fonction du référentiel dans lequel se trouve l'observateur bouleverse le sens commun. De même, la représentation quantique d'une particule dont on ne peut pas dire à coup sûr qu'à tel moment elle se trouve à une position donnée et qu'elle est animée d'une vitesse précise, est difficilement concevable. Même les plus grands physiciens ont eu du mal avec ces notions, à tel point que certains n'ont jamais cru à la véracité de la théorie quantique. Il est vrai que jusqu'au début du XXe siècle, on était persuadé du caractère déterministe de la physique ; une "bonne" théorie se devait donc de pouvoir prédire à coup sûr des grandeurs comme la vitesse ou la position d'un objet pour peu que l'on connaisse les conditions initiales du système et les forces mises en jeu.

Le fond du problème est notre difficulté, voire notre incapacité à construire une représentation du monde différente de celle que nous percevons dans notre quotidien. Quoiqu'on  fasse, on aura toujours un mal fou à se représenter une particule autrement que comme une petite bille et un atome autrement que sous la forme d'un système planétaire dans lequel le noyau joue le rôle du Soleil et les électrons celui des planètes. Si vous demandez à des physiciens de vous expliquer ce qu'est le spin d'une particule, il y a fort à parier que la majorité d'entre eux répondront que c'est une quantité qui caractérise le fait qu'une particule tourne sur elle-même dans un sens ou dans l'autre ! Cette représentation du spin n'a rien à voir avec la réalité ; elle ne sert qu'à tenter de mettre une image sur des propriétés physiques qui n'ont aucun équivalent dans notre monde macroscopique. 

Le besoin de mettre des images sur des phénomènes physiques va très loin. C'est ainsi que les physiciens des particules ont inventé la notion de "charge de couleur" pour les quarks. Chaque quark est ainsi affublé d'une couleur arbitraire, un ensemble de quarks composant une particule devant globalement être neutre au niveau des couleurs. Par exemple, un baryon (proton, neutron,…) est composé de 3 quarks obligatoirement de couleurs différentes afin que la résultante soit blanche. Bien entendu, ces couleurs sont des représentations mentales d'une réalité qui est toute autre.

A partir d'un certain niveau de complexité, il devient très difficile de construire des représentations mentales cohérentes et seules les mathématiques permettent de décrire fidèlement les phénomènes physiques. Cet état de fait peut semer le doute chez les non spécialistes qui ne voient dans ces théories qu'un édifice mathématique abscons alors qu'il s'agit bien d'une représentation (parfois imparfaite) de la réalité. De même, une prédiction découlant de calculs mathématiques, aussi surprenante soit-elle, doit être considérée comme la manifestation d'une réalité si l'expérience la confirme.

La grande question qui se pose, et à laquelle je n'ai pas de réponse, est : Pourquoi les mathématiques sont ce qu'on a trouvé de mieux pour représenter le monde ? Y a-t-il là quelque chose de fondamental ? Les mathématiques sont-elles le fondement même de l'Univers, ou n'est-ce qu'un pis-aller pratique qui pourrait être détrôné par une autre approche qui s'imposera quand l'Humain aura atteint un niveau de conscience supérieur ?

Théories physiques et représentations du monde (1)

Je suis toujours un peu étonné de la vision manichéenne souvent exprimée par le grand public sur les grandes théories de la physique moderne. Il semble que pour beaucoup de personnes, une bonne théorie se doit d'être juste dans l'absolu, comme si la seule vraie théorie était celle qui décrivait l'Univers dans son ensemble, une sorte de théorie du Tout ou de théorie de Dieu. Cette conception tend d'ailleurs à décrédibiliser la science et les scientifiques, car le fait qu'une partie d'une théorie soit remise en cause par l'observation ou par de nouvelles avancées conceptuelles, est assimilé à l'invalidation de l'ensemble.

A cet égard, la théorie de la relativité restreinte d'Einstein a souvent été mise en cause. C'est un peu passé de mode, mais on a vu pendant longtemps, y compris dans des journaux de vulgarisation scientifique, que tel ou tel avait démontré que cette théorie était fausse. J'imagine que les paradoxes temporels  étant sources de beaucoup de fantasmes et heurtant le sens commun, la relativité restreinte se trouvait être une cible toute désignée pour les sceptiques.  Or, actuellement, les relativités restreinte et générale marchent tellement bien que même pour une application aussi courante que le GPS, il est indispensable de prendre en compte les corrections relativistes si l'on veut éviter une dérive de précision de l'ordre de 2 km par jour ! Chaque jour, des millions de personnes à travers le monde vérifient donc la relativité dans leur voiture et quand vous n'arrivez pas à bon port c'est à coup sûr à cause d'une erreur dans les cartes ou dans le logiciel et Albert n'y est pour rien !

Une théorie, pour être valable, se doit d'expliquer les observation et d'être prédictive, c'est-à-dire être capable de prédire le résultat d'une mesure encore jamais réalisée. Une théorie a toujours un domaine d'application. Par exemple, lorsque les Grecs ont introduit les épicycles dans leur théorie sur le mouvement des astres, c'était pour rendre compte de l'observation des "astres errants" (les planètes) qui semblaient se déplacer différemment des autres astres (les étoiles). Cette théorie qui nous semble maintenant un peu bizarre, rendait compte de l'observation et avait certainement un certain pouvoir prédictif. C'était donc une "bonne" théorie, adaptée à la compréhension et aux moyens d'observation de l'époque.

De même, la mécanique classique qui permet de décrire le comportement des objets macroscopiques animés d'une vitesse petite devant celle de la lumière fonctionne très bien. Elle décrit magnifiquement le monde courant et me permet de calculer la trajectoire d'un objet mobile avec une précision tout à fait honorable. C'est quand je sors du domaine d'application de la mécanique classique que je dois me placer dans le cadre d'une théorie plus générale ou plus adaptée. Par exemple, si mon objet se déplace avec une très grande vitesse, je vais devoir appliquer des équations relativistes, ou bien si mon objet est une particule élémentaire interagissant avec une autre, il me faudra alors me placer dans le cadre de la théorie quantique des champs. Aucune de ces théories n'est juste dans l'absolu ; toutes sont les meilleures descriptions  que nous connaissions dans des domaines bien précis. Rien ne m'empêche d'ailleurs de me placer dans un cadre relativiste pour décrire le mouvement d'un train, je vais juste compliquer les calculs pour arriver au même résultat que si je m'étais placé dans un cadre classique non relativiste.

Une nouvelle théorie émerge lorsque les théories existantes sont incapables de rendre compte de l'observation. Par exemple, au début du XXe siècle, les physiciens étudient les propriétés d'un objet relativement simple nommé "corps noir" : il s'agit d'un système capable d'absorber intégralement les rayonnements auxquels il est exposé.  Une fois à l'équilibre thermique, il réémet un rayonnement dont on peut mesurer les caractéristiques. Or, quand on fait les calculs dans le cadre de la physique classique, on arrive à la conclusion absurde que le corps noir doit rayonner une quantité infinie d'énergie. Ce fut l'un des deux arguments qui ont mené à l'élaboration de la théorie quantique, l'autre étant l'explication de l'effet photo-électrique par l'existence de quanta de rayonnement, nommés photons. On voit donc que l'émergence d'une théorie qui va bouleverser profondément notre conception de la physique découle des propriétés d'un objet relativement banal (en première approximation, il s'agit d'un four parfaitement isolé et percé d'un petit trou permettant d'effectuer les mesures).

L'apparition de quantités infinies dans les calculs est toujours le signe que quelque chose ne fonctionne pas (et pour cause !) C'est par exemple par des arguments de ce type que l'on sait que le modèle standard de la physique des particules est incomplet et que le LHC est très bien placé pour mettre en évidence de nouveaux phénomènes caractéristiques d'une théorie physique plus générale. Quand on fait face à une telle situation, de nombreuses théories sont proposées par les théoriciens. Toutes doivent au minimum être capables de rendre compte de la physique connue. Ce seront finalement les résultats des expériences qui permettront de repérer les bonnes théories et d'éliminer les autres sans appel.

Toute théorie n'est donc pas bonne à priori. La science ne permet pas de supposer n'importe quoi. Par exemple, la gravitation fait que ma chaise a ses quatre pieds bien posés sur le sol. Une théorie qui prédirait qu'elle va se soulever d'elle-même jusqu'au plafond peut être rejetée immédiatement. Cet exemple est évidemment absurde mais les hypothèses farfelues prédisant l'engloutissement de la Terre dans un trou noir créé par le LHC l'étaient tout autant et pourtant elles ont fait couler beaucoup d'encre et il a fallu que le CERN se justifie. Certes, nous sommes loin de tout connaitre, mais cela ne veut pas dire que nous ne connaissons rien. Un certain nombre de choses ne peuvent simplement pas être.

Super Computing à la Nouvelle Orléans

Chaque année au mois de novembre a lieu au États-Unis la grande conférence "Super Computing" qui est l'occasion de faire le point sur l'état de l'art en matière d'informatique de pointe, on pourrait même parler ici d'informatique extrême.  C'est au cours de cette conférence qu'est établie l'une des deux éditions annuelles du "top 500" des ordinateurs les plus puissants de la planète.

Balade dans le "French Quarter"

Le "top 500" a un petit côté puéril dans le sens où c'est quasiment une question de fierté nationale de montrer aux yeux des observateurs ébahis que l'on possède la plus grosse… machine mondiale. D'un autre côté le "top 500" permet de quantifier les progrès technologiques et de se projeter dans l'avenir afin de déterminer quand l'informatique permettra de résoudre tel ou tel problème particulièrement gourmand en puissance de calcul.

Cette année Super Computing avait lieu à la Nouvelle Orléans et rassemblait 10 000 experts. Pour la première fois, la Chine a obtenu la première place au "top 500" avec la machine Tianhe-1A (Tianhe signifiant Voie Lactée en chinois) qui déploie une puissance de 2.6 petaFlops c'est-à-dire 2.6 millions de milliards d'opérations en virgule flottante par seconde, loin devant  la machine américaine Jaguar de la compagnie Cray qui n'aligne "que" 1.8 petaFlops.

Le "top 500" est déterminé en exécutant le même algorithme étalon sur toutes les machines. L'étalon nommé "LINPACK", consiste à résoudre un énorme système d'équations linéaires. La résolution nécessite un très grand nombre de calculs élémentaires qui  sont répartis sur l'ensemble des processeurs de la machine. LINPACK va s'exécuter d'autant plus rapidement que la vitesse des processeurs est grande, que leur nombre est important et qu'ils disposent d'un réseau suffisamment performant pour échanger des informations rapidement. L'algorithme lui-même est relativement simple et est donc facilement implantable quelque soit le type de processeur utilisé. Il est possible à partir des données constructeurs de déterminer la puissance théorique d'un ordinateur que l'on peut alors comparer avec la puissance mesurée. Dans la liste du "top 500" ces deux valeurs sont respectivement désignées par Rpeak (théorique) et Rmax(mesurée). Un rapport Rmax / Rpeak proche de 1 indique que l'architecture matérielle est parfaitement exploitée par l'algorithme.

Quand on regarde le rapport Rmax / Rpeak pour les premiers ordinateurs du Top 500, on voit que la machine chinoise présente un ratio de 0.55 alors qu'il est de 0.78 pour le Jaguar américain et même 0.84 pour la machine française classée 6ème au Top 500. En fait la machine chinoise est hybride et tire l'essentiel de sa puissance d'une utilisation massive de processeurs graphiques (américains) détournés à des fins de calcul. Cette architecture est astucieuse mais introduit des contraintes de programmation importantes et certaines applications complexes ne peuvent pas l'exploiter pleinement. Tianhe est donc une machine taillée pour le Top 500 mais elle serait certainement plus difficilement exploitable dans un autre cadre et se comparerait sans doute à la moyenne de ses concurrentes directes.

Ceci étant, la performance chinoise est excellente car il est loin d'être évident d'assembler une telle machine et le réseau d'interconnexion qui est parait-il de conception entièrement chinoise est certainement très performant.  

Sur un plan moins technique, il est intéressant de noter qu'une partie des 10 premières machines du "top 500" est, principalement destinée à des usages militaires. La machine française TERA100 est installée dans les locaux de la Direction des Affaires Militaires (DAM) du CEA et va servir aux modélisations et simulations nécessaires à la mise au point des armes nucléaires de demain. Elle prend le relai de TERA 10 qui était déjà bien placée au "top 500" en son temps. Il en est de même pour le "Road Runner" de Los Alamos,  et n'en doutons pas, pour Tianhe. Incontestablement, la dissuasion nucléaire se déplace maintenant vers l'informatique et il viendra peut-être un jour où le nombre de têtes nucléaires disponibles dans un pays, sera moins significatif que la puissance informatique et le niveau d'expertise des informaticiens militaires.

En dehors des applications militaires, ces supercalculateurs sont indispensables pour modéliser de plus en plus finement des phénomènes physiques complexes tels que des écoulements turbulents, l'évolution de galaxies ou encore tenter de comprendre l'évolution du climat sur de grandes périodes de temps, en tenant compte de la complexité de l'ensemble du globe terrestre (océans, terre et atmosphère). Certaines disciplines ne peuvent progresser que par un recours à des ordinateurs de plus en plus puissants.

Une petite partie des équipements réseau mis en oeuvre

Mis à part le "top 500", la conférence Super Computing est l'occasion d'avoir une vue d'ensemble de tout ce qui touche à l'informatique de pointe, un gigantesque hall d'exposition et de démonstration permet aux participants de voir le matériel et de discuter avec des experts. 

La technologie déployée est impressionnante. Chaque année, des experts du monde entiers collaborent avec des fabricants de matériel pour créer, le temps de la conférence, SCINET, le réseau informatique le  plus rapide au monde. Cette années, pas moins de 270 km de fibres optiques ont été installées, le site de la Nouvelle Orléans était capable d'échanger 260 GigaOctets de données par seconde avec le monde extérieur (cela représente le contenu de 50 DVD chaque seconde) et une liaison expérimentale à 100 Gigabits par seconde était disponible pour réaliser des tests.

Quant à l'organisation, elle est à l'américaine avec de grands shows très colorés et hétéroclites, les exposants n'hésitant pas à payer de leur personne, tel ce constructeur qui faisait son exposé juché sur un monocycle et entravé par une camisole de force ! Ou tel autre qui avait engagé une diseuse de bonne aventure tirant les tarots et lisant dans une boule de cristal ! Dans un contexte scientifique, le décalage est total.  En tout cas, le show est bien rodé et vaut le déplacement.

Ce qu'il ne faut pas inventer pour attirer l'attention !

Vous ne regarderez plus votre appareil photo tout à fait de la même manière...

Le détecteur ATLAS sur le LHC (Copyright CERN)

Lorsque l'on montre les détecteurs qui sont installés sur le LHC, les visiteurs sont souvent impressionnés par le gigantisme et l'apparente complexité de la technologie mise en jeu. Il est pourtant possible à tout un chacun d'en comprendre le principe de fonctionnement en remarquant qu'un banal appareil photographique numérique possède un grand nombre de points communs avec les détecteurs de particules.

Un appareil photographique n'est rien d'autre qu'un détecteur de lumière, or, depuis qu'Einstein a décrit l'effet photo-électrique on sait que la lumière peut-être considéré comme un ensemble de particules que l'on nomme "photons". Les collisionneurs de particules produisent de grandes quantités de photons énergétiques. En photographie, l es grains de lumière ont une énergie bien plus faible, mais la physique sous-jacente est la même. Un appareil photographique est donc un détecteur spécialisé dans la détection de photons "faiblards" alors que les détecteurs en physique des particules sont également sensibles à d'autres types de particules, par exemple les électrons, les pions, les kaons, etc...

Le capteur CCD ou CMOS du boitier photo est l'élément sensible du système qui va convertir les flux de lumière en une série de signaux électriques. Un détecteur de particules contient également des éléments sensibles capables de produire des signaux  dépendant des caractéristiques de la particule détectées. Un détecteur va selon les cas, donner des informations permettant de retrouver  la position, l'énergie, la charge électrique, etc.

Le capteur photographique couleur est constitué d'une matrice de millions de pixels, chacun d'entre eux est muni d'un minuscule filtre coloré rouge, vert ou bleu. Un pixel touché va donc donner une information sur la position des grains de lumière incidents et sur la couleur de ceux-ci, c'est-à-dire sur leur énergie (un photon bleu est un peu plus énergétique qu'un photon rouge).

L'électronique du détecteur ou du boitier photo est destinée à récupérer les signaux électriques produits par les éléments sensibles, à les mettre en forme et à les coder sous une forme numérique (ce sont les fichiers ".jpg" des appareils photos). La mise en forme est très importante, il faut nettoyer les signaux électriques qui possèdent toutes sortes de biais, il faut également égaliser la réponse de l'ensemble des éléments de détection de façon à ce que deux grains de lumières (ou deux particules) ayant les mêmes caractéristiques produisent le même signal en chaque point du capteur (ou du détecteur). Tout ceci est heureusement fait automatiquement.

Les informations codées numériquement sont stockées sur la carte mémoire de l'appareil photo ou sur des systèmes de stockage très capacitif pour les détecteurs de particules. Une fois la carte mémoire vidée sur un PC il est possible d'appliquer des traitements supplémentaires avec des logiciels adaptés pour renforcer les contrastes, supprimer les yeux rouges, voire même cacher un bouton disgracieux... Les photos seront ensuite distribuées sur Picasa, Flickr ou Facebook en utilisant les réseaux informatiques. C'est le même processus pour la physique ; les données sont traitée, analysées, filtrées et distribuée dans le monde entier grâce aux réseaux informatiques afin que les physiciens puissent les exploiter et "taguer" les quelques particules ou phénomènes physiques qui auront été identifiés. Pour un physicien, le tag "Higgs" est aussi attendu et recherché que le tag "petite dernière" après une naissance attendue !

En physique, tout comme dans la vie, on ne photographie pas n'importe quoi. Le photographe observe la scène sur le petit écran de l'appareil et n'appuie sur le déclencheur que lorsqu'il est parfaitement content du cadrage et du niveau de zoom. De même, les détecteurs n'enregistrent pas tout  à chaque collision. Un système basé sur des mesures rapides mais grossières analyse rapidement  ce qui se passe et ne déclenche la lecture complète des centaines de millions d'information du détecteur que lorsque certains éléments indiquent que la collision a des chances d'être intéressante. Ce dispositif nommé "trigger" doit être extrêmement bien fait pour éviter d'introduire des biais dans les analyses de physique et surtout éviter de rater un phénomène intéressant.

Le principe des détecteurs de physique des particules n'est pas plus compliqué que cela, c'est la masse d'informations produites et la vitesse des "prises de vues" qui nécessitent la débauche de technologie que l'on observe dans les expériences installées sur le LHC.