8 december 2019

NASA’s Pleiades supercomputer genereert miljoenen virtuele universums

Een team van de Universiteit van Arizona heeft met behulp van NASA’s Pleiades supercomputer miljoenen simulaties van de vorming van het universum gegenereerd elk volgens een andere theorie van de vorming van sterrenstelsels. Het computermodel, zie ook video hieronder, laat de gesimuleerde universums  groeien vanaf de kosmologische jeugd tot heden. Dit alles om meer inzicht te verkrijgen in de evolutie van sterrenstelsels en uiteindelijk het gehele universum. Het team stond onder leiding van Peter Behroozi, professor in de theoretische astrofysica. Behroozi: “Telescopen kunnen heel veel sterrenstelsels in minieme details waarnemen, maar het zijn slechts kleine snapshots van hun geschiedenis. Sterrenstelsels hebben honderden miljoenen jaren nodig om te evolueren en natuurlijk, tijdens een mensenleven kunnen we daar niet eens een klein deel van zien, dus we kunnen niet zeggen hoe ze zijn geëvolueerd met alleen observaties.”

Hubble ST, Abell 370, sterstelsel op 4 miljard lichtjaar van aarde. De blauwe lichtbogen zijn vervormde beelden van sterstelsels achter het cluster. NASA, ESA,J. Lotz, HFF Team,STScI.

Hoe sterren zich vormen in sterrenstelsels – en waarom ze stoppen met vormen – hangt af van vele factoren; verander er eentje van, en je eindigt met een heel ander universum. Computermodellen bieden wetenschappers een manier om inzicht in deze enorme complexiteit te krijgen, maar zelfs zij missen de kracht die nodig is om een universum van sterrenstelsels te simuleren. Dus hoofdauteur Peter Behroozi van UA en zijn team richtten zich op algemene trends. Ze vergeleken hun resultaten vervolgens met een vrij beschikbare antwoordsleutel: ons eigen universum, en wat voor soort fysica is er nu nodig om sterrenstelsels te produceren die er op dezelfde manier uitzien?

Pleiades, bijgenaamd de ‘universummachine’ maakt deel uit van NASA’s Advanced Supercomputer (NAS) faciliteit, en beslaat een volledige etage van NASA’s Ames Research Center op Moffett Field, Californië, waar NAS in gehuisvest is. Het is een petaschaal supercomputer, onderhouden door NASA, HP en Intel, en dient o.a. astrofysisch onderzoek naar de vorming van sterrenstelsels door het maken van simulaties van hoe onze eigen Melkweg gevormd is en welke krachten dit hebben kunnen veroorzaken resulterend in zijn kenmerkende schijfvorm. Pleiades is ook dé supercomputer voor onderzoek naar donkere materie. D.m.v. simulaties helpt Pleiades de door zwaartekracht gebonden “klonten” van donkere materie in sterrenstelsels te ontdekken.

Behroozi’s resulterende simulaties, zoals te zien in de video, zijn slechts het begin en hij zei over de werkwijze van het onderzoek:  “We raden in een computer hoe snel sterrenstelsels met de tijd zullen groeien en hoeveel fusies ze hebben, en we creëerden een heel universum van sterrenstelsels, vanaf de eerste ogenblikken onmiddellijk na de oerknal tot nu. Dingen waar we dan bijvoorbeeld naar kijken zijn hoeveel sterrenstelsels we op verschillende punten in de geschiedenis van het universum zien? Hoe groot zijn ze? Hoe geclusterd zijn ze?  En door onszelf de vraag te stellen “lijkt het universum dat we op de computer hebben gegenereerd op het echte universum?, kunnen we dan een idee krijgen van hoe dicht we bij het echte antwoord staan.” Pleiades kostte dit onderzoek maar liefst 5 miljoen CPU-uren (Central Processing Units) en een doorsnee laptop zou het vijf miljoen uren kosten om ditzelfde proces te voltooien.

“Het is meer een soort spel waarin je als het ware warmer of koeler wordt, naarmate je dichter bij het proces komt waar het ‘echte’ universum mee bezig is.” Uit simulaties van het team bleek onder meer dat proces van stervorming zich in het vroege heelal misschien efficiënter voltrok. Voor de context, de meeste sterren in het heelal bevinden zich in sterrenstelsels die geen nieuwe sterren meer vormen. Professor Behroozi zei: “Dit is al heel lang een puzzel, want als we deze sterrenstelsels bekijken die geen sterren meer vormen zien we dat er wel veel materiaal en veel brandstof beschikbaar hiervoor is, maar de sterrenstelsels gebruiken deze brandstof niet om nieuwe sterren te vormen. Wat we met Pleiades vonden, is de meest voorkomende verklaring, dat het moeilijk was voor de brandstof om af te koelen en te condenseren naar gebieden die klein genoeg waren om sterren te vormen.

De studie richtte zich met name op de snelheid van stervorming in sterrenstelsels, aangezien deze betrekking heeft op hoeveel donkere materie er op een bepaald moment in de kosmologische prehistorie bestond, hoe snel sterrenstelsels werden gevormd en wanneer galactische vorming plaatsvond. M.a.w. de wetenschappers zochten naar omgevingen die de galactische groei het beste ondersteunden. ” Donkere materie, die enorme kosmologische structuren vormt die “halo’s” worden genoemd,  heeft een sterke invloed op de vorming van sterrenstelsels. Omdat het ongeveer 80% van de materie in het universum uitmaakt – en bijgevolg ongeveer 80% van de totale zwaartekracht uitoefent – speelt de onzichtbare substantie ook een grote rol bij het verzamelen van de gassen die stervorming voeden. Inzicht in de snelheid waarmee die gassen samenkwamen, kan vertellen waar sterrenstelsels in hun tijdlijn van de stervorming vallen: als alle gassen zich al vroeg verzamelden, heeft het stervormingsproces ze misschien al opgebruikt; zo niet, dan kan brandstof achterblijven om nieuwe sterren te vormen.

Het kosmologische tijdperk zou ook de vorming van sterrenstelsels moeten beïnvloeden, omdat het heter en dichtere vroege universum had moeten voorkomen dat gassen voldoende afkoelden om sterren te vormen. Maar hier verraste het model Behroozi en zijn collega’s. Sterren bleven zich vormen. Bovendien waren dit hete, massieve blauwe sterren, waarvan de meeste theoretische modellen voorspelden dat ze snel zouden opbranden en sterrenstelsels van oude, rode sterren achterlaten. In plaats daarvan ontdekten ze dat het vroege modeluniversum veel blauwere sterrenstelsels produceerde dan verwacht. Bovendien vonden ze sterrenstelsels die stoppen met het vormen van sterren en kunnen ze later opnieuw beginnen te vormen. “Dus voor bepaalde soorten sterrenstelsels kunnen ze een soort sterren gaan vormen, een pauze nemen, en dan terugkomen en weer sterren gaan vormen,” aldus Behroozi. Bronnen; Arizona science desk, Science lanes, NAS

*Universemachine: the correlation between galaxy growth and dark matter halo assembly from z=0-10. P. Behroozi, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, september 2019, Pages 3143–3194

https://academic.oup.com/mnras/article/488/3/3143/5484868

 

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.