Big Bang à partir de Big Data (du fond diffus cosmologique) – B3DCMB

Ce projet s’inscrit dans le domaine de l'analyse des données cosmologiques recueillies par des observatoires contemporains et futurs. C’est un des champs scientifiques les plus dynamiques de la cosmologie moderne. Nous ciblons spécifiquement les observations du fond diffus cosmologique (CMB), l'une des sondes cosmologiques les plus fructueuses. Les photons du CMB sont les reliquats de l'Univers très ancien et portent des informations sur son état physique au moment où celui-ci était beaucoup plus jeune, plus chaud et plus dense, et plus simple à modéliser mathématiquement. Le CMB a été, et continue d'être, une source unique d'information pour la cosmologie moderne et la physique fondamentale. En particulier, la polarisation des photons du CMB devrait porter une signature unique générée au moment où l'Univers, comme nous l’imaginons aujourd’hui, est né. Cette signature, appelée polarisation primordiale en mode B, si elle est détectée, fournirait non seulement des indices essentiels sur la cosmologie, mais aussi sur les lois fondamentales de la physique. Ce serait un résultat révolutionnaire pour la physique moderne.

La polarisation en mode B est une des frontières actuelles en cosmologie et de nombreux efforts expérimentaux visent à sa découverte, s'appuyant sur plus de 20 ans de développements technologiques. Au final, les informations devront être extraites des gigantesques volumes de données collectées par ces expériences. Cela exigera des techniques numériques et statistiques avancées allant bien au-delà de l’actuelle boîte à outils utilisées par les analystes. En effet, il est reconnu qu'un véritable saut dans l'efficacité, la puissance informatique et la robustesse statistique des méthodes est nécessaire afin que cette génération d’observations soit correctement exploitée et que les objectifs cosmologiques posés soient atteints.

Le but de ce projet est de donner à l'analyse du CMB des outils et des algorithmes nouveaux et plus performants par rapport à ceux disponibles aujourd'hui. Cette analyse est un processus complexe. Les données CMB ont des volumes qui peuvent dépasser de nombreux petabytes et, même si ceux-ci ne sont peut-être pas les plus grands, les signaux d'intérêt sont minuscules et répartis sur l’ensemble des mesures, elles-mêmes dominées par le bruit instrumental et, souvent, par des signaux non cosmologiques. Ces derniers ont de fortes corrélations qui peuvent être caractérisées dans différents domaines. Cela empêche les approches «diviser et conquérir», et des techniques statistiques sophistiquées doivent être appliquées, capables d'exploiter efficacement la puissance de calcul des superordinateurs, modernes et massivement parallèles. L'analyse du CMB est une véritable entreprise multidisciplinaire impliquant le calcul scientifique de haute performance, les méthodes statistiques et les connaissances physiques.

Ce projet est basé sur des observations clés. Tout d'abord, en dépit de sa complexité apparente et de la diversité des contextes physiques, l'analyse du CMB se résume à un nombre relativement limité de problèmes algébriques. Les deux plus importants sont les systèmes linéaires structurés d’équation dits de cartographie ou de filtre de Wiener. Deuxièmement, les solutions de ces problèmes linéaires doivent être optimisés et conçus pour une méthode statistique spécifique utilisée dans l'analyse. Réciproquement, la méthode statistique la plus appropriée peut être celle pour laquelle les solutions sont les plus optimales. Dans ce projet, nous considérerons ensemble les méthodes statistiques et les solutions numériques. Troisièmement, l’implémentation des solutions doit être parallélisable, extensible jusqu'à des centaines de milliers de cœurs, et adaptée aux architectures hiérarchiques et hétérogènes des supercalculateurs modernes. Ces idées définissent les principaux objectifs et défis de ce projet, et nous proposons de les traiter avec l'aide d'une équipe d’experts, interdisciplinaire et rapprochée.