Er komt een nieuwe generatie simulaties van de vorming van sterrenstelsels

ENGINEERINGNET.BE – De afgelopen tien jaar zijn de simulaties van sterrenstelsels enorm verbeterd dankzij de snelle vooruitgang van numerieke modellen en de rekenkracht van supercomputers.

Nu kan het soms bijna onmogelijk zijn om een ​​echt sterrenstelsel van een gesimuleerd sterrenstelsel te onderscheiden”, zegt astronoom Evgenii Chaikin van ULeiden.

Chaikin werkt aan het COLIBRE-model, samen met collega’s uit ULeiden, Groot-Brittannië en andere Europese landen. “De hoge ruimtelijke resolutie van COLIBRE-simulaties maakt het mogelijk om in te zoomen op individuele gesimuleerde sterrenstelsels om in detail de verdeling van het gas en de sterren die ze bevatten te bestuderen.”

COLIBRE-simulaties bevatten ook een groot aantal sterrenstelsels met uiteenlopende eigenschappen en vormingsgeschiedenissen, die onderzoekers op verschillende manieren kunnen selecteren, bestuderen en vergelijken met waarnemingen.

De kunst van goede simulatie is om de variabelen in een simulatiemodel zo aan te passen dat er realistische sterrenstelsels ontstaan. “Er zijn veel ingrediënten, en soms kan een klein verschil in de setting van één ingrediënt een heel ander beeld opleveren”, zegt Chaikin.

Bijvoorbeeld de massa van het gas, de verdeling van het gas en de snelheid van stervorming. ‘Sterren ontploffen aan het einde van hun leven. De energie die bij zo’n explosie vrijkomt, verwarmt het omringende gas tot zeer hoge temperaturen en duwt het uit de melkweg. Het is dan moeilijker om nieuwe sterren te vormen, omdat ze koud, compact gas nodig hebben.’

Een belangrijke verbetering die het team bereikte was het realistische transport van koud gas tussen sterren. ‘Voorheen was het bijna nooit mogelijk om dichte gassen met temperaturen onder de 1.000 Kelvin realistisch in modellen op te nemen. Terwijl in het echte heelal een groot deel ervan te vinden is in wolken van moleculair gas, waarin sterren ontstaan.’

Chaikin concentreerde zich vooral op het realistisch opnemen van het ingrediënt van supernova-explosies. Zo’n spectaculaire explosie van een ster vindt op relatief kleine schaal plaats. “Vanwege de onvoldoende ruimtelijke resolutie van de simulaties kunnen we dit proces niet in detail simuleren”, zei Chaikin.

“Maar tijdens zo’n explosie komt er veel energie vrij, dus het is erg belangrijk om supernova-explosies op te nemen in het model van de vorming van sterrenstelsels.”

Daarom schreef Chaikin de programmacode en kalibreerde hij de kracht van de energiefeedback van supernova-explosies en superzware zwarte gaten in het COLIBRE-model. Zodanig dat de eigenschappen van de gesimuleerde sterrenstelsels realistisch lijken.

Sommige testsimulaties lieten veelbelovende resultaten van hun werk zien, maar de echte test moet nog komen. Chaikin, die cum laude op dit onderwerp promoveerde: ‘Ik heb een postdoctorale positie gekregen, waar ik verder zal werken aan het COLIBRE-model. Het einde van de ontwikkelingsfase van dit model is nabij.’