De geschiedenis van het heelal gesimuleerd
 Joop Schaye met een computersimulatie: 'Het grote voordeel van de simulatie is, dat je dan grip kunt krijgen op de theorie.' |
Supercomputer
Voor zijn onderzoek heeft Schaye de beschikking over computertijd op een supercomputer die staat opgesteld bij LOFAR aan de Rijksuniversiteit Groningen. 'Die computer heet Stella', vertelt hij, 'een IBM Blue Gene die is aangeschaft door het LOFAR-consortium om de signalen van de nieuwe lagefrequentieradiotelescoop te verwerken.' De telescoop die nu nog in aanbouw is, bestaat uit heel veel radioantennes. De signalen van al die antennes moeten gecorreleerd worden en daar is een heel grote computer voor nodig. Schaye: 'De computer is al gekocht, maar de telescoop is nog niet klaar. In afwachting daarvan kunnen anderen gebruikmaken van de capaciteit.' Van die 'anderen' is Schaye er dus één.
Kubusvormig stukje heelal
Op dit moment is hij, samen met een postdoc en een groep promovendi, druk bezig de simulaties door Stella te laten genereren en hij denkt daar nog tot de zomer mee bezig te zijn. Daarna kan hij de simulaties gaan analyseren. In zijn computersimulaties neemt hij een kubusvormig stukje heelal, beginnend enkele tientallen miljoenen jaren na de oerknal. Schaye: 'Dat stukje expandeert naar een typisch stuk heelal van nu. We houden rekening met de zwaartekracht, de gasdruk en de straling en we onderzoeken dan de herverdeling van de structuur onder invloed van de zwaartekracht.'
Geen ontploffing
Al sinds de jaren '20 is bekend dat het heelal expandeert. 'Als je terug gaat in de tijd is alles veel kleiner', zegt Schaye. 'De oerknal is geen ontploffing, maar gewoon het begin waar alles heel dicht en heet was. Terwijl het heelal expandeert, koelt het af. De hete gassen condenseren en kleine fluctuaties uit het begin groeien onder invloed van de zwaartekracht.' Een kleine hoeveelheid materie meer op een plek betekent meer zwaartekracht. Daardoor wordt weer meer materie aangetrokken, met als gevolg weer meer zwaartekracht die nog meer materie aantrekt. Uiteindelijk kan dat dan uitgroeien tot sterrenstelsels.
Een paar minuten oud
Steeds meer waarnemingen bevestigen de theorie van het expanderende heelal. Schaye: 'We zitten nu ongeveer 14 miljard jaar na de hypothetische oerknal. De eerste indirecte waarnemingen die we hebben, zijn van toen het heelal maar een paar minuten oud was. Toen was het heelal nog zo heet dat waterstof, in het heelal zelf, kon fuseren tot helium. Dat kan nu alleen nog in sterren. Naast de elementen waterstof en helium werd ook een beetje deuterium gevormd. We kunnen precies voorspellen hoeveel helium en deuterium dat moet zijn geweest.'
Vrije elektronen
Het volgende tijdstip dat bekend is over het jonge heelal is toen het een paar honderdduizend jaar oud was. 'Daarvoor bestond de gewone materie uit vrije protonen en elektronen', vertelt Schaye. 'Toen werd het koud genoeg dat de elektronen konden recombineren met de protonen en waterstof vormen. Vanaf dat moment zijn er geen vrije elektronen meer.' Vrije elektronen verstrooien het licht. Als er geen vrije elektronen zijn, kan het licht rechtdoor bewegen. Vanaf dat moment kan het licht gedetecteerd en gefotografeerd worden. Op de foto's van het heelal op die leeftijd kunnen allerlei parameters gemeten worden, waaronder de dichtheid van de gewone materie.
Donkere materie
Men vermoedt dat er naast de gewone materie ook zogenoemde donkere materie bestaat. Deze materie kan niet rechtstreeks worden waargenomen. Schaye: 'We weten dat de donkere materie heel koud moet zijn. Dat betekent dat die heel goed samen te persen is. De donkere materie kan alleen door zijn zwaartekracht gedetecteerd worden. We kunnen het bestaan alleen afleiden, doordat er meer zwaartekracht is dan er zou moeten zijn op grond van de hoeveelheid gewone materie. Er zijn duidelijke aanwijzingen voor het bestaan van de donkere materie: de te hoge rotatiesnelheid van sterrenstelsels en de te kleine fluctuaties in het heelal van 300 duizend jaar oud. Het enige alternatief voor het niet bestaan van donkere materie, is dat de zwaartekrachttheorie niet klopt.'
 Een schematische weergave van de geschiedenis van het heelal. De gloed bovenin is de periode van vrije elektronen tot 300 duizend jaar na de oerknal. Met dank aan Djorgovski et al., Caltech Digital Media Center. |
Gasdruk en straling
Toch gaat Schaye niet echt kijken naar de donkere materie. Hij is meer in de gewone materie geïnteresseerd: 'Er zijn al veel simulaties gedaan met alleen donkere materie. Dat is makkelijk, omdat je dan alleen met de zwaartekracht rekening hoeft te houden. Met gewone materie is het moeilijker, omdat je dan ook de gasdruk en straling moet meenemen.' Schaye wil inzicht krijgen in hoe sterrenstelsels zich vormen. Hij stelt zichzelf de vragen: Waar bevindt zich de gewone materie, in sterren of in het gas tussen de sterren, in sterrenstelsels of juist tussen de sterrenstelsels? En is het dan heel heet of juist heel koud? Waar bevinden zich de zware elementen? Waarom zien sterrenstelsels er anders uit in dichtbevolkte gebieden?
Virtuele telescoop
Schaye: 'Met die simulaties kun je heel leuke dingen doen. Je kunt er theorieën mee testen. Je kunt er een virtuele telescoop achter zetten. De waarnemingen daarmee kun je staven aan werkelijke waarnemingen of je kunt voorspellen wat een toekomstige telescoop zal kunnen zien. Het grote probleem van de sterrenkunde is dat er bijna niets in een laboratorium getest kan worden, maar als je het in de computer stopt, kan je virtueel aan de knoppen draaien. Het grote voordeel van de simulatie is, dat je dan grip kunt krijgen op de theorie.
(8 mei 2007/SH)