14 secondes. C'est le temps qu'il faut au nouveau code pour tisser le spectre complet d'une étoile, de l'ultraviolet au proche infrarouge. Ce spectre n'est pas un simple arc-en-ciel, mais une toile détaillée de milliers de raies d'absorption sombres, chacune laissée par un atome précis dans l'atmosphère de l'étoile. Les astronomes travaillent avec ces toiles comme des tisserands : chaque raie est un fil, et le spectre complet est un tissu fini qui renferme des informations sur la température, la composition chimique et le mouvement de l'étoile.

Pendant des décennies, le calcul d'une telle toile prenait des dizaines de minutes. À l'ère des grands relevés qui collectent des millions de spectres, c'est inconcevablement lent. Les émulateurs – des modèles simplifiés entraînés sur des exemples précalculés – et les interpolations sur des grilles sont venus à la rescousse. Mais comme une copie d'une copie, ils héritent des erreurs des autres et perdent en précision lorsqu'il faut tenir compte de l'influence de nombreux éléments chimiques. Le calcul physique direct restait la référence, trop coûteux pour une application massive.

Payne Zero change la donne. Le code, nommé en l'honneur de Cecilia Payne-Gaposchkin, réécrit la logique de synthèse : au lieu de parcourir séquentiellement les longueurs d'onde, toutes sont traitées simultanément sur GPU. C'est comme remplacer un métier à tisser manuel par un métier Jacquard à plusieurs navettes – les fils s'entrelacent d'un coup. Les itérations atmosphériques, qui nécessitent des pas en pression et en température, sont accélérées sur CPU multicœurs par un facteur de 6 à 7, et un initialiseur entraîné réduit encore de moitié le nombre de ces itérations. Résultat : la région infrarouge d'APOGEE (1.5–1.7 µm) est synthétisée en 1.4 seconde.

Avec une telle vitesse, l'analyse stellaire peut pour la première fois intégrer un ajustement physique direct dans le pipeline de traitement de millions d'objets. Dans une démonstration sur 1600 étoiles réelles du relevé APOGEE, Payne Zero a déterminé simultanément 12 éléments (carbone, azote, oxygène, magnésium, aluminium, silicium, soufre, calcium, titane, manganèse, nickel) et le paramètre [Fe/H]. Les séquences chimiques ont clairement séparé les étoiles à α élevé et faible, en accord avec le catalogue. Et tout cela avec un recalcul cohérent de l'atmosphère à la fin.

La touche finale – la calibration des fils. La méthode utilise la différenciation automatique de toute la chaîne de transfert radiatif pour ajuster simultanément plus de cent mille corrections aux données atomiques sur les atlas de référence du Soleil et d'Arcturus. L'écart avec les observations a diminué de plus de 80%. Chaque transition atomique reçoit désormais un « fil » vérifié, et le tissu du spectre se pose uniformément, sans distorsion.

Le calcul optimal direct dans la boucle d'ajustement élimine le besoin même d'émulateurs. On peut introduire n'importe quel élément sans reconstruire les grilles, et vérifier toute incohérence avec les données au niveau des constantes atomiques ou de la structure de l'atmosphère. La métallicité et les abondances individuelles sont maintenant mesurées de manière cohérente, en tenant compte de leur influence mutuelle via l'équation d'état. Ainsi se tisse une toile unifiée de l'histoire galactique : plus rapide, plus précise et avec moins d'erreurs systématiques.