Je leest:

Sterrenhopen in de supercomputer

Sterrenhopen in de supercomputer

Onderzoekers aan het sterrenkundig instituut Anton Pannekoek en de Section Computational Science, beiden van de Universiteit van Amsterdam, bestuderen de evolutie van sterrenhopen. Hiervoor berekenen zij de beweging van de sterren ten opzichte van elkaar met ’s werelds snelste computer, de GRAPE-6 Momenteel zijn zij vooral geïnteresseerd in YoDeCs, jonge (ca. 10 miljoen jaar oude) sterrenhopen met een uitzonderlijk hoge sterdichtheid. In deze sterrenhopen bestuderen ze met name het ontstaan en de evolutie van middelzware zwarte gaten en de uitwendige invloed die de melkweg heeft op dergelijke sterrenhopen. Voorbeelden van recente resultaten. Dit onderzoek wordt uitgevoerd binnen het internationale MODEST consortium.

Wat zijn sterrenhopen?

Een sterrenhoop is een geïsoleerde groep van ca. 1 000 tot een miljoen sterren die allemaal door hun onderlinge zwaartekracht bijeen worden gehouden. Net als een zeepbel, waar de oppervlaktespanning veel groter is dan de Aardse zwaartekracht, is ook een sterrenhoop bolvormig. Hierbij is de onderlinge zwaartekrachtaantrekking tussen de sterren veel groter dan uitwendige krachten, van bijvoorbeeld de Melkweg. Zodoende dat we vaak spreken over bolvormige sterrenhopen. De sterren in een sterrenhoop hebben allemaal ongeveer dezelfde leeftijd. Die kan echter van sterrenhoop tot sterrenhoop variëren van enkele miljoenen jaren tot zo oud als het Universum (ca. 13 miljard jaar). Verder is de dichtheid in een sterrenhoop vele malen groter dan elders in de Melkweg. In het middengebied van de bolhoop M15 bijvoorbeeld is de sterdichtheid meer dan een miljoen maal groter dan in de buurt van de zon.

Verschillende soorten sterrenhopen

Quintuplet: jonge dichte sterrenhoop

Ca. 50 000 sterren, diameter van de sterrenhoop is ongeveer 1 parsec (3.3 lichtjaar) en leeftijd is ongeveer 3 miljoen jaar. Deze sterrenhopen worden vaak YoDeCs (van young dense star clusters genoemd). Ze zijn vrij zeldzaam, in de gehele melkweg kennen we er slechts 4, waaronder: Arches, Westerlund 1 en NGC3603.

Pleiades: open sterrenhoop.

Het meest voorkomende type sterrenhoop bevat slechts enkele duizenden sterren, heeft een afmeting van een paar parsec en is tussen de 100 en 1000 miljoen jaar oud. Andere bekende open sterrenhopen zijn Praesepe, Hyades en M67. Ze hebben soms prachtige namen, als diamantdoos of bijenzwerm.

M15: bolvormige sterrenhoop.

Bolhopen zijn mogelijk de bekendste sterrenhopen. Er zijn tenminste twee klassen; die met een compacte kern (zoals hier is afgebeeld) en minder geconcentreerde bolhopen. De hier afgebeelde sterrenhoop bevat een miljoen sterren die allemaal ca. 13 miljard jaar oud zijn. De afmetingen van dit type sterrenhoop variërt van enkele parsec tot meer dan 100 parsec. Bolhopen behoren tot de meest gecompliceerde en interessante astronomische objecten. Het simuleren van een echte bolvormige sterrenhoop is de droom van menig astronoom.

Kern sterrenhoop van de Melkweg.

De Bulge, of kern van de Melkweg is een van de meest bizarre astronomische objecten. De hier getoonde afbeelding is een 2MASS opname van het centrum van de Melkweg. De afmeting van de kern is ca. 100pc en bevat meer dan een miljard sterren. Momenteel is dat ver buiten het bereik van een directe ster-op-ster N-deeltjes berekening. De sterdichteid in de kern zou wel eens vele malen groter kunnen zijn dan in de dichtste bolvormige sterrenhopen, zoals M15. De eerder getoonde quintuplet sterrenhoop is op dit plaatje zichtbaar als een heldere stip bovenin.

Waarom bestuderen we sterrenhopen?

Sterrenhopen hebben een aantal bijzondere eigenschappen. Hierdoor zijn het uitstekende laboratoria om de natuur te bestuderen. Daar komt nog bij dat ze schijnbaar eenvoudig zijn te begrijpen; het is gewoon zwaartekracht die de boel bij elkaar houdt. Het samenspel van honderd-duizenden sterren garandeert echter een uiterst gecompliceerd collectief gedrag.

In de afgelopen 30 jaar zijn er met name in sterrenhopen verschillende exotische astronomische verschijnselen ontdekt. Zo zijn er bijvoorbeeld blauwe buitenbeentjes (sterren die er jonger en dus blauwer uitzien dan hun leeftijdgenoten), Röntgen dubelsterren (compacte sterren die massa ontvangen van een nabije ster) en nog veel meer. Ook spelen sterrenhopen een belangrijke rol in ons besef van afstanden in het Universum. Doordat er zo veel sterren op een kluitje zitten kun je ze tot heel ver goed waarnemen; en dan bedoel ik echt ver (miljarden lichtjaar) en niet zomaar naar de volgende supermarkt. Een goed begrip van sterrenhopen kan ons hierdoor helpen het ontstaan en de evolutie van het Universum te begrijpen.

De natuurkunde van sterrenhopen

Een enkele ster zal een eenparige rechtlijnige beweging in de ruimte uitvoeren. Twee sterren draaien om elkaar heen volgens de wet van Kepler. Hij begreep als eerste waarom de aarde in een ellipsbaan om de zon draait. Het echte begrip over de zwaartekracht kwam echter pas met de publicatie van Newton’s Philosophiae naturalis principia mathematica in 1687. Met deze publicatie werd de sterdynamica in een klap een volwassen wetenschap. Simulaties van sterrenhopen zijn gebaseerd op de principes die Newton in 1687 opschreef.

Dankzij Newton weten we nu dat alle sterren elkaar aantrekken, ook in een sterrenhoop. Op zich kun je dan vrij eenvoudig uitrekenen hoe een hele hoop van sterren evolueert; dat konden ze al in 1687. Het probleem zit echter in de hoeveelheid rekenwerk, die snel toeneemt met het aantal sterren. Hierdoor zijn berekeningssnelheden nodig die veel groter zijn dan met gewone supercomputers mogelijk is. Een groep slimme wetenschappers in Tokio heeft daarom een speciale computer ontwikkeld om het rekenwerk te verrichten.

N-deeltjes berekeningen voor het simuleren

Bij N-deeltjes berekeningen speelt de zwaartekracht de belangrijkste rol. Zwaartekracht is de meest dominante natuurkracht. Dit komt vooral door de lange afstandswerking en het gebrek aan anti-zwaartekracht. Door de eigenschap van lange afstandswerking en de toename van het aantal deeltjes op grote afstand door het toenemende volume, is de onderlinge aantrekkingskracht van alle sterren van belang ook als deze ver weg staan. De hoeveelheid rekenwerk die verricht moet worden voor een berekening van de totale zwaartekracht schaalt met het kwadraat van het aantal sterren. Met een heleboel doorzettingsvermogen is het mogelijk om de evolutie van een systeem van drie sterren (N=3) met pen en papier te berekenen. Voor een sterrenhoop van een miljoen sterren moet echter een miljoen keer meer werk worden verricht dan voor een sterrenhoop met 1000 sterren. Dergelijke sterrenhopen kunnen alleen met heel grote computers worden gesimuleerd. De snelste computer van Nederland is TERAS. Het kost deze computer meer dan tien jaar om een sterrenhoop met 100 000 sterren te simuleren.

De volgende animaties laten verschillende N-deeltjes berekeningen zien, met telkens toenemende complexiteit, van N=3 N=4 N=10 N=100

De berekeningen zijn uitgevoerd voor gelijke massa’s. Bij grotere systems (N=10 en groter) is uitgegaan van een zgn. King model. Bij de kleinere systemen is uitgegaan van een of twee dubbelsterren die elkaar naderen in een parabolische baan. De berekeningen zijn uitgevoerd met de starlab programmatuur.

Om de werkelijkheid goed na te bootsen is het belangrijk de eigenschappen van de sterren en de karakteristieken van je telescoop mee te nemen in je berekening. Dit is echter een complex proces. In de volgende simulatiezijn de resultaten van een dergelijke berekening te zien. Het kostte de GRAPE-6 ongeveer een maand onafgebroken rekenen om deze simulatie uit te voeren.

De GRAPE-6 computer (van GRAvity PipE).

Grape 6: de snelste computer ter wereld

Een groep onderzoekers aan de Universiteit van Tokio besloot zelf een supersnelle computer te ontwikkelen om N-deeltjes berekeningen versneld uit te kunnen voeren. Deze computer, de GRAPE-6 (van GRAvity PipE) staat hierboven afgebeeld. Met een duizelingwekkende snelheid van 64 Tera flop/s (64 miljard- miljard berekeningen per seconde) was deze machine in zowel 2002 als 2003 de snelste computer ter wereld. De machine haalt deze rekensnelheid echter alleen bij het simuleren van sterrenhopen; voor andere berekeningen is hij ongeschikt.

Door deze ontwikkeling kunnen wetenschappers momenteel simulaties uitvoeren met vele duizenden sterren. De grootste berekeningen bevatten bijna 600 000 sterren. Het doel van deze simulaties was het proberen te begrijpen van een zwaar zwart gat in de sterrenhoop MGG-11.

Vanaf januari 2004 zal er ook in Nederland een GRAPE-6 beschikbaar zijn (gesubsidieerd door NWO en de UvA). Deze machine gaat MODESTA heten (van modeling dense stellar systems in Amsterdam). Met deze machine wordt een rekensnelheid van maximaal een Tera flop/s bereikt, genoeg om sterrenhopen tot ca. 100.000 sterren te bestuderen. Voor grotere berekeningen zal er gebruik gemaakt blijven worden van de reuzemachine in Japan. Op de afbeelding onder is de auteur te zien met zijn 30 Giga flop/s baby GRAPE-6 aan het MIT.

Zelf een sterrenhoop simuleren?

Dat kan. Om zelf een sterrenhoop te simuleren hoef je geen sterrenkundige te zijn. Je hebt natuurlijk wel een computer nodig, maar dat kan heel goed thuis op een moderne PC. De programmatuur kun je vrij gemakkelijk zelf schrijven, of je kan bestaande software gebruiken. Die is te vinden op het internet, zoals deze relatief eenvoudige code. Voor een professionele code is starlab geschikt, maar ook voor de serieuze N-deeltjes hacker is er wel iets te vinden.

Dit artikel is een publicatie van Natuurkunde.nl.
© Natuurkunde.nl, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 20 september 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE