N-Body Simulations using HPC

Van donkere materie tot dwergsterrenstelsels

1. Inleiding

Onze zon is slechts één van de miljarden sterren in de Melkweg, het sterrenstelsel waarin wij ons bevinden. Grote sterrenstelsels, zoals de Melkweg, worden vaak omringd door een groep kleinere dwergsterrenstelsels. Tegen alle verwachtingen in liggen deze dwergsterrenstelsels niet willekeurig omheen het grote sterrenstelsel, maar vormen ze opvallende structuren. Het dichtstbijzijnde grote sterrenstelsel (buiten de Melkweg), is Andromeda. Ongeveer de helft van de dwergsterrenstelsels rond Andromeda vormt een dergelijke structuur. Deze vijftien dwergsterrenstelsels liggen allen in een vlak, vormen een halve cirkel en draaien tevens bijna allen in dezelfde zin rond Andromeda. Hoewel in het verleden al meerdere theorieën verschenen zijn, was er tot nu toe nog geen enkele die deze structuur overtuigend kon verklaren. Om de oorsprong hiervan te vinden, moeten we terug gaan in de tijd en kijken naar het ontstaan van deze dwergsterrenstelsels.

2. Oorsprong van de dwergsterrenstelsels

Alle grote sterrenstelsels worden omringd door een bolvormige wolk donkere materie, genaamd de halo. Deze donkere materie is zo overvloedig aanwezig, dat ze vele malen meer weegt dan alle sterren uit het sterrenstelsel gecombineerd. Donkere materie kan echter niet rechtstreeks waargenomen worden (er kunnen dus geen foto’s van gemaakt worden). Haar aanwezigheid kan enkel indirect worden afgeleid, door bijvoorbeeld de beweging van sterren te onderzoeken. Computersimulaties toonden aan dat de donkere materie rond sterrenstelsels niet gelijkmatig verdeeld is, maar in groepjes samenklontert. Deze groepjes noemt men subhalo’s en bestaan op hun beurt terug uit kleinere klonters donkere materie, genaamd subsubhalo’s. Er wordt gedacht dat tijdens het ontstaan van het sterrenstelsel, de subhalo’s gas van het sterrenstelsel naar zich toe trekken en op die manier sterren vormen. Dit proces zou echter enkel kunnen plaatsvinden in zware subhalo’s die ver genoeg van het centrum van het sterrenstelsel liggen. De subsubhalo’s van die zware verafgelegen subhalo, zouden dan ook sterren kunnen vormen. Mijn promotor kwam daarom met de hypothese dat het merendeel van de 15 dwergsterrenstelsels overeenstemmen met subsubhalo’s en niet subhalo’s, zoals tot op heden gedacht werd.

Opvallend genoeg komen de massa’s van die subsubhalo’s goed overeen met de massa’s van de meeste dwergsterrenstelsels rond Andromeda. Het dwergsterrenstelsel dat het meest centraal ligt in de halve cirkel, heeft echter een veel grotere massa die overeenstemt met die van een zware subhalo. Als deze subsubhalo’s de oorsprong zijn van de dwergsterrenstelsels, blijft de vraag nog steeds waarom ze die opmerkelijke structuur vormen. Computersimulaties toonden namelijk aan dat er verwacht wordt dat de dwergsterrenstelsels initieel bolvormig verspreid zouden liggen rond de subhalo. Het is echter mogelijk dat na verloop van tijd de subhalo steeds dichter het centrum van het sterrenstelsel nadert. Als deze de juiste snelheid heeft, is het mogelijk dat hij rond het sterrenstelsel begint te draaien. De omliggende subsubhalo’s zouden hierdoor sterk verstoord worden en in een vlak rond het sterrenstelsel beginnen draaien. Dit scenario kan bijgevolg een structuur opleveren die overeenstemt met de waargenomen posities en snelheden van de dwergsterrenstelsels.

3. De theorie testen met een supercomputer

De vraag blijft nu of deze theorie in realiteit ook tot de waargenomen structuur leidt. Jammer genoeg is het onmogelijk om dit exact wiskundig uit te rekenen en zijn de meeste laboratoria nogal klein om een proef met een volledig sterrenstelsel in op te stellen. Bijgevolg werd er gebruik gemaakt van computersimulaties, die uitgevoerd werden op de HYDRA supercomputer van de ULB en VUB. Hiervoor stelden mijn promotor en ik een model op, waarin het Andromeda sterrenstelsel en de bijhorende subhalo en subsubhalo’s voorgesteld werden door meer dan één miljoen deeltjes. Deze verdeling geeft echter weer hoe het sterrenstelsel er initieel (vijf miljard jaar geleden) uitgezien zou hebben. Het computerprogramma (GADGET-2) berekende vervolgens ontelbare keren de interactie tussen al de deeltjes, wat uiteindelijk leidde tot de verdeling van deeltjes zoals deze vandaag waargenomen zouden worden.

4. Resultaten en conclusie

Om het resultaat te controleren werden de posities van de gesimuleerde dwergsterrenstelsels vergeleken met de waargenomen posities van de echte dwergsterrenstelsels. Vervolgens werd er een statistische test toegepast, die aantoonde dat de resultaten van de simulatie in goede overeenstemming zijn met de waargenomen posities. Het probleem van de raadselachtige verdeling van dwergsterrenstelsels is dus wellicht opgelost. Als naar verwachting enkel de subsubhalo’s van een zware verafgelegen subhalo sterren kunnen vormen, leidt dit onder de juiste omstandigheden tot een verdeling van dwergsterrenstelsels die afgevlakt is en in een halve cirkel rond Andromeda draait. Hoewel het universum nog oneindig veel mysteries kent, is het er dus mogelijk weer één armer.

Met dank aan mijn promotor, Dr. Garry Angus.