Een stuk heelal in de computer
Simulaties van sterrenstelsels helpen om astronomische waarnemingen beter te begrijpen. De EAGLE simulatie, een groot project waarin Leidse astronomen een hoofdrol hebben, laat de evolutie van het heelal zien, van vlak na de Oerknal tot nu.
Samenklonterend gas
Vlak na de Oerknal, 13,8 miljard jaar geleden, bevatte het heelal vrijwel alleen maar waterstof- en heliumgas. Door de zwaartekracht begon dat gas samen te klonteren, en vormde grote, ronddraaiende gaswolken, waaruit sterrenstelsels ontstonden, die elk weer uit miljarden sterren bestaan. De begintoestand is bekend, dus kan een computer op basis van de natuurwetten in principe narekenen hoe het heelal zich ontwikkeld heeft tot de toestand nu.
Volgens Joop Schaye, hoogleraar 'Vorming van sterrenstelsels', is met zulke simulaties door astronomen uit Leiden en elders een paar jaar geleden een doorbraak bereikt: 'Alle oudere simulaties vormden sterrenstelsels die te klein, te zwaar en te bolvormig waren.' De sleutel was een betere modellering van galactische winden, enorme uitstromen van gas vanuit het centrum van een jong sterrenstelsel naar buiten, wat de ontwikkeling van het sterrenstelsel ingrijpend beïnvloedt. De wind wordt geproduceerd door het zwarte gat dat al snel ontstaat in de kern van een sterrenstelsel, en door de vele exploderende zware sterren, de zogeheten supernova's.
Een petabyte aan data
Een simulatie als EAGLE is een meerjarig project dat een petabyte (een miljoen gigabyte) aan data oplevert. De eerste tests kun je nog doen op een gewone computer, maar voor de echte simulatie moet je tijd aanvragen op een supercomputer. In dit geval op de Franse supercomputer CURIE, die er tientallen miljoenen uren rekentijd (op duizenden processors tegelijk) voor nodig heeft. EAGLE simuleert in een 'representatief' stuk heelal, van ongeveer honderd miljoen lichtjaar diameter, wat er gebeurde van kort na de Oerknal tot nu.
Astronomen zullen nog jaren bezig zijn met de data-analyse. Schaye: 'Ten eerste moet je in die data de sterrenstelsels nog identificeren, want de computer weet echt niet wat dat is, een sterrenstelsel.'
De computer kent alleen maar hokjes ruimte met een zeker volume, massa en druk en een paar natuurwetten, en toch reproduceert de simulatie heel het spectaculaire scala aan sterrenstelsels dat het heelal rijk is: elliptische stelsels, stelsels met spiraalarmen en balkspiraalstelsels. Plus de sponzige grote-schaalstructuur van het heelal die zichtbaar wordt als je zover uitzoomt dat individuele sterrenstelsels niet groter zijn dan stofdeeltjes.
'Draaiknoppen' in het model
Simulaties hebben twee grote voordelen op waarnemingen met telescopen, vindt Schaye: 'Wij hebben de hele geschiedenis van een verschijnsel beschikbaar, niet alleen wat je nu in het heelal ziet. En we doen meerdere herhalingen, met telkens iets andere ingrediënten. Zo zien we hoe gevoelig de uitkomst is voor bepaalde details.' De sterkte van de wind blijkt de belangrijkste 'draaiknop' in het model om een realistisch heelal te verkrijgen.
Simulaties zijn een gelijkwaardige tak van de astronomie geworden, naast de theorie en de waarnemingen. Schaye: 'Tegenwoordig komen er waarnemers naar ons toe: moet je nu eens kijken, wat is dit? Vroeger kon dat niet, omdat de simulaties zo onrealistisch waren. Nu die wel realistisch zijn, kunnen we meer leren van onze waarnemingen. Het is belangrijk dat je beide blijft doen. Uiteindelijk moet het één verhaal worden.'
Vanwege de gekozen cookie-instellingen kunnen we deze video hier niet tonen.
Bekijk de video op de oorspronkelijke website of