Nieuwe generatie simulaties van sterrenstelsel-vorming op komst – Evgenii Chaikin promoveerde cum laude
Simulaties van de vorming van sterrenstelsels leveren veel meer informatie over sterrenstelsels dan een telescoop. Simulaties worden de laatste jaren steeds beter. Sterrenkundige Evgenii Chaikin leverde daaraan zo’n belangrijke bijdrage, dat hij 27 februari cum laude, met lof, promoveerde.
Evgenii Chaikin zag het totaal niet aankomen, de kwalificatie ‘met lof’ oftewel cum laude bij zijn promotie. Zijn promotor Joop Schaye, hoogleraar Vorming van sterrenstelsels, mailt achteraf: ‘Evgenii’s proefschrift is de stap die nodig was om de volgende generatie simulaties van de vorming van sterrenstelsels mogelijk te maken. Zijn inzicht, bekwaamheid en vasthoudendheid waren daarbij cruciaal.’
Simulaties laten heel veel details zien van sterrenstelsels
Chaikin legt de essentie van zijn werk uit: ’Er zijn veel observaties van sterrenstelsels. Het gas en de sterren stralen licht uit met verschillende golflengten. Telescopen vangen dit licht op, waarmee sterrenkundigen de eigenschappen van die sterrenstelsels kunnen bepalen.’ Maar die observaties zijn nogal beperkt. ‘Je kijkt maar vanuit één hoek en je ziet elk sterrenstelsel op maar één moment, terwijl de evolutie van een sterrenstelsel miljoenen tot miljarden jaren duurt.’ Een groot voordeel van simulaties is dat ze sterrenstelsels kunnen laten zien op elk moment in zijn evolutie en vanuit alle hoeken.
Dan moet zo’n simulatie natuurlijk wel zo goed mogelijk kloppen met de werkelijkheid. Onderzoekers vergelijken uitkomsten van simulaties daarom steeds met waarnemingen uit directe observaties. Chaikin: ‘Als een simulatiemodel sterrenstelsels produceert met veel meer sterren dan we observeren in echte sterrenstelsels, of de sterren zijn onrealistisch verdeeld, dan klopt er iets niet in het model. Daar kun je belangrijke informatie uit halen, wat uiteindelijk leidt tot een beter model én beter begrip van de evolutie van sterrenstelsels.’
De laatste tien jaar worden simulaties extreem goed…
In de jaren negentig van de vorige eeuw begonnen sterrenkundigen met de eerste simulaties van sterrenstelsels. De laatste tien jaar zijn ze echt goed geworden dankzij de snelle opmars van zowel numerieke modellen als beschikbare rekenkracht in supercomputers. ‘Nu kan het soms bijna onmogelijk zijn om een echt sterrenstelsel te onderscheiden van een gesimuleerd sterrenstelsel,’ zegt Chaikin. Er bestaan verschillende modellen waarmee onderzoekers de simulaties draaien, die ze vervolgens met elkaar en met observaties vergelijken. Een moderne simulatie duurt meerdere maanden, waarin een grote supercomputer op volle kracht aan het rekenen is.
Chaikin werkte aan het COLIBRE-model, samen met collega’s van de Universiteit Leiden, Groot-Brittannië en andere Europese landen. ‘Dankzij de hoge ruimtelijke resolutie die de COLIBRE-simulaties bereiken, kun je inzoomen op individuele gesimuleerde sterrenstelsels om de verdeling van het gas en de sterren daarin in detail te bestuderen.’ Tegelijk hebben COLIBRE-simulaties een vrij groot volume: ze bevatten een groot aantal sterrenstelsels met verschillende eigenschappen en ontstaansgeschiedenissen, die onderzoekers op meerdere manieren kunnen selecteren, bestuderen en vergelijken met waarnemingen.’
…Maar je moet alle ingrediënten heel goed afstellen
De kunst van een goede simulatie is om de vele variabelen, de ‘ingrediënten’, in een simulatiemodel zo af te stellen, dat het realistische sterrenstelsels genereert. ‘Er zijn heel veel ingrediënten en soms kan een heel klein verschil in de afstelling van één ingrediënt een compleet ander beeld opleveren’, zegt Chaikin. Bijvoorbeeld gasmassa, de verdeling van het gas en de mate van stervorming. ‘Sterren exploderen aan het eind van hun leven. De energie die vrijkomt bij zo’n explosie verwarmt het omringende gas tot zeer hoge temperaturen en duwt het gas uit het sterrenstelsel. Nieuwe sterren ontstaan dan moeilijker, die hebben juist dicht en koud gas nodig.’
Koud gas en supernova-explosies nu realistischer het model
Een grote verbetering die het team voor elkaar kreeg, was het realistisch meenemen van koud gas tussen de sterren. ‘Voorheen lukte het bijna nooit goed om dicht gas met temperaturen onder de 1000 Kelvin realistisch in de modellen op te nemen. Terwijl we weten dat in het echte heelal een groot deel daarvan in moleculaire gaswolken zit, waarin sterren ontstaan.’
Chaikin zelf richtte zich vooral op het realistisch meenemen van het ingrediënt supernova-explosies. Zo’n spectaculaire explosie van één ster vindt plaats op een relatief kleine schaal. ‘Vanwege de onvoldoende ruimtelijke resolutie van de simulaties kunnen we dit proces niet in detail simuleren’, legt Chaikin uit. ‘Maar er komt wel veel energie vrij bij zo’n explosie en het is dus van groot belang om supernovaexplosies op te nemen in het model van de vorming van sterrenstelsels.’ Een van de vragen was: hoe kun je die energie het beste verdelen in de ruimte tijdens de simulatie?’
‘Gewoon stap voor stap’
Daarmee ging Chaikin aan de slag. Hij schreef programmacode en kalibreerde de kracht van ‘energetische feedback’ van supernova-explosies en superzware zwarte gaten in het COLIBRE-model. Op zo’n manier dat de eigenschappen van gesimuleerde sterrenstelsels er realistisch uitkomen. Chaikin heeft nogal wat vasthoudendheid laten zien, schreef zijn promotor. Zelf zegt hij erover: ‘Het was heel veel werk. Maar met een bepaalde mindset is het gelukt. Gewoon stap voor stap. En het was echt teamwerk, ik hoefde nooit in mijn eentje met iets te worstelen. Als ik ergens niet uitkwam, deelde ik dat en dan tackelden we het probleem samen.’
Enkele testsimulaties toonden veelbelovende resultaten van Chaikins werk, maar de echte test moet nog komen. Gelukkig laat de Leidse Sterrewacht de talentvolle jonge doctor nog niet gaan. ‘Ik heb een postdoc-aanstelling voor twee jaar gekregen, waarin ik aan het COLIBRE-model blijf werken. Het einde van de ontwikkelingsfase van dit model is heel dichtbij.’
Tekst: Rianne Lindhout
Beeld boven artikel: De ruimtelijke verdeling van de gastemperatuur in een regio van een testsimulatie van de vorming van sterrenstelsels met het COLIBRE-model.