Sterrenstelsel uit computer ziet er steeds echter uit
Voor een gewone planeet komt Joop Schaye van de Leidse Sterrewacht zijn bed niet uit; hij geeft leiding aan een team dat complete sterrenstelsels bouwt. In de computer, dat wel. De nieuwste exemplaren lijken verdacht veel op de sterrenstelsels in het echte heelal. De resultaten worden deze week gepubliceerd in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Kort na de oerknal was het uitdijende heelal gevuld met donkere materie en heet gas. Onder invloed van de zwaartekracht klonterde dat samen tot een 'kosmisch web' van vliezen en slierten. Op de knooppunten, waar de materiedichtheid het hoogst is, ontstonden de sterrenstelsels. Hoe dat precies gebeurde, kan het best worden onderzocht door het hele proces in detail na te bootsen in een computersimulatie.
Dat is in principe heel eenvoudig. Je rekent gewoon in kleine tijdstapjes voor miljarden deeltjes uit welke zwaartekracht ze op elkaar uitoefenen. Probleem is alleen dat je daarvoor enorm veel rekenkracht nodig hebt. Pas met de komst van grote supercomputers kwamen realistische simulaties binnen bereik van onderzoekers. Een van de eerste was de Millenniumsimulatie, in 2005 gepubliceerd door het Europese Virgo-project.
De groteschaalstructuur van het nagebootste Millenniumheelal lijkt heel veel op die van het échte universum. Maar de afzonderlijke sterrenstelsels in die eerste simulaties waren over het algemeen te groot en te zwaar. Iedereen wist ook wel waarom: in de computersimulatie wordt geen rekening gehouden met terugkoppelmechanismen zoals die in werkelijkheid wél voorkomen.
'Gastrofysica'
Zo vertonen zware sterren krachtige sterrenwinden, waarbij flink wat gas de ruimte in wordt geblazen. Bij supernova-explosies gaat het om nog veel grotere hoeveelheden, en bovendien gebeurt het met nog veel hogere snelheden. Het ijle gas in de ruimte tussen de sterren - het materiaal waaruit nieuwe sterren kunnen ontstaan - kan op die manier het sterrenstelsel uit geblazen worden. Gevolg daarvan is een kleiner en lichter stelsel, waarin het geboortecijfer van sterren een stuk lager ligt.
In de nieuwe Eagle-simulatie (een gekunsteld acroniem dat staat voor Evolution and Assembly of GaLaxies and their Environments), ook uitgevoerd door het Virgo-project en geleid door Schaye, worden al die gasstromen wél meegenomen. In plaats van louter zwaartekracht zit er nu dus ook veel hydrodynamica in de computercode. Sterrenkundigen spreken soms wel van 'gastrofysica'.
De berekeningen, met bijna zeven miljard testdeeltjes, zijn uitgevoerd op twee grote supercomputers en vergden in totaal vele maanden rekentijd. Dat leverde spectaculaire 3D-filmpjes op (en een iPhone-app), waarin 13,8 miljard jaar kosmische evolutie is teruggebracht tot een paar minuten. Maar bovenal: de sterrenstelsels in de simulatie lijken veel beter op de sterrenstelsels in het echte heelal.
Illustris-simulatie
Volgens co-auteur Rob Crain van Liverpool John Moores University kan het onstaan van sterrenstelsels nu in detail worden bestudeerd: je kunt allerlei variabelen, zoals de sterkte van sterrenwinden en de frequentie van supernova-explosies, zelf kiezen en variëren, en kijken wanneer het eindresultaat het best met de werkelijkheid overeenkomt.
Eagle is overigens niet het enige 'gastrofysica'-project. Amerikaanse astronomen kwamen eerder al met de Illustris-simulatie, waarin nog eens ruim twee keer zoveel testdeeltjes werden meegenomen. Voor de betrouwbaarheid van het resultaat maakt die factor twee trouwens niet heel veel uit. En ook het aantal testdeeltjes van Illustris is veel te klein om het ontstaan van individuele sterren te simuleren, laat staan van planeten.
