Een team bestaande uit onderzoekers van het Instituut voor Informatica
en het Sterrenkundig Instituut van de Universiteit van Amsterdam heeft
de afgelopen 4 jaar binnen het programma Computational Science van NWO
algorithmes en een speciale computer ontwikkeld, om zo realistisch
mogelijk de dynamische zowel als interne evolutie van sterrenhopen te
berekenen. Dit is een probleem van groot astrofysisch belang dat
alleen langs computationele weg kan worden opgelost. De bijzondere
aard van de zwaartekrachtswisselwerking - alleen aantrekkend en met
een oneindig lange dracht - maakt dat men bij elke rekenstap de
onderlinge aantrekkingskrachten tussen alle deeltjes in het systeem
moet meenemen. Een realistische berekening van de evolutie van
bolvormige sterrenhopen met honderdduizenden sterren vergt daarom een
gigantisch aantal berekeningen per tijdstap. Het team ontwikkelde
algorithmes om deze berekeningen zo efficient mogelijk uit te voeren
op een speciaal voor dit doel gebouwde computer. Deze computer is
gebaseerd op de zgn. GRAPE processor (acroniem voor GRAvity PipE; zie
here) welke
oorspronkelijk werd ontwikkeld door Prof. Jun Makino van de University
of Tokyo om zeer snel, in hardware geprogrammeerd, de
gravitatie-interactie te berekenen. In het kader van dit NWO
Computational Science project werd met aparte subsidies van
NWO-Middelgroot en de Universiteit van Amsterdam een speciale
parallele variant van deze computer ontwikkeld welke de naam MoDeStA
kreeg (van Modelling Dense Stellar systems in Amsterdam; zie
here). Het
ontwikkelen van speciale parallele algorithmes voor het gebruik van
deze computer was een belangrijk bestanddeel van het onderzoek van de
postdoctoral fellow M.S.Sipior en de promovendus Alessia Gualandris,
werkzaam in het onderhavige project (een artikel met de resultaten van
dit werk is ter publicatie aangeboden aan het tijdschrift Parallel
Computing). Om de rekentijd nog verder terug te brengen werd een deel
van de testberekeningen uitgevoerd op de CrossGrid gedistribueerde
computer. Voor dit werk werd gelijktijdig gebruik gemaakt van
computers op Cyprus, in Lissabon, Krakau en Amsterdam. De computers
werden via het internet gekoppeld en de berekeningen zijn uitgevoerd
met behulp van een GRID uitbreiding op de Message Passing Interface
(MPI-G2). De resultaten van dit werk werden kortgeleden gepubliceerd
door Tirado-Ramos, Gualandris en Portegies Zwart ("Performance of a
Parallel Astrophysical N-Body Solver on Pan-European Compuatational
Grids", Proceedings of the European Grid Conference 2005). Het team
werkt thans aan een verdere uitbreiding van dit onderzoek en aan de
constructie van een model om de gebruikte rekentijd op het
computer-Grid te kunnen meten en in de toekomst te voorspellen. Ter
bevordering van de interdisciplinaire kruisbestuiving werden door
Portegies Zwart in Amsterdam twee internationale workshops van
informatici en sterrenkundigen georganiseerd, in December 2002 (MODEST-2 ) en Juni
2003 (MODEST-4b),
alsmede een zomerschool in computationele sterrenkunde, in Juli 2005
(MODEST-5c). Voor
Maart/April 2006 staat een volgende workshop op het programma.
Astrofysische Resultaten: Dit project heeft een aantal bijzonder belangwekkende nieuwe astrofysische resultaten opgeleverd en geleid tot een groot aantal publicaties in vooraanstaande astrofysische tijdschriften. Een van de meest in het oog springende resultaten is de ontdekking door Portegies Zwart, in samenwerking met Amerikaanse, Duitse en Japanse collegae, dat voor bepaalde begincondities wat betreft de sterdichtheid en snelheidsverdeling, de evolutie van jonge sterrenhopen kan leiden tot een groot aantal sterbotsingen, waardoor in het centrum van de sterrenhoop een ster met een massa van enige duizenden zonmassa's kan ontstaan. Zonder het hier ontwikkelde numerieke apparaat zou deze volkomen niet-intuitieve ontdekking niet zijn gedaan. Berekeningen van de evolutie van een dergelijke "superster" tonen dat deze aan het einde van zijn korte leven zal instorten tot een zwart gat met een massa van enkele honderden tot duizenden zonmassa's. Dit resultaat, gepubliceerd door Portegies Zwart et al. in Nature 428, 724 (2004), vormt hoogstwaarschijnlijk de verklaring voor het bestaan van zgn. "intermediate-mass black holes", met massa's van de orde van duizend zonmassa's, welke recentelijk met NASA's rontgenobservatorium CHANDRA zijn ontdekt, onder meer in een dichte jonge sterrenhoop in het "starburst" sterrenstelsel M82. Daar zich in de buurt van het centrum van ons eigen Melkwegstelsel vele dichte jonge sterrenhopen bevinden, verwacht men dat er in dit gebied regelmatig van dergelijke "intermediate-mass black holes" kunnen ontstaan. Portegies Zwart, tezamen met de promovendus Gualandris, postdoctoral fellow Sipior en Amerikaanse en Japanse collegae, heeft in een aantal artikelen, o.m. in de Astrophysical Journal, laten zien dat dergelijke black holes dan door dynamische wrijving binnen een beperkte tijd naar het centrum van het Melkwegstelsel worden getransporteerd. Op deze wijze kan gedurende de leeftijd van het Melkwegstelsel het daar thans waargenomen "superzware" zwarte gat, met een massa van enkele miljoenen zonmassa's, zijn opgebouwd door samensmelting van enkele duizenden in sterrenhopen gevormde "intermediate mass black holes". Dit resultaat is tevens algemeen toepasbaar op andere sterrenstelsels van gemiddelde massa, waarin, evenals in ons Melkwegstelsel, in het centrum dikwijls een zwart gat van enkele miljoenen zonmassa's wordt aangetroffen. Concluderend kan gesteld worden dat dankzij deze door het NWO programma Computational Science gefinancierde interdisciplinaire inspanning er een software plus hardware "apparaat" is ontwikkeld, waarmee reeds grensverleggend astrofysisch onderzoek kan worden verricht. Dit "apparaat" vormt een uitstekende basis om in de toekomst verder op voort te bouwen voor de studie van de vorming en evolutie van stersystemen in het vroege heelal, een thans nog vrijwel onontgonnen gebied.
De resultaten van dit onderzoek zijn o.a. gepubliceerd in het Britse tijdschrift Nature (Portegies Zwart et al. 2004) en zijn aangeboden ter publicatie in het tijdschrift Parallel Computing (Gualandris et al. 2006).
Meer informatie is beschikbaar op http://modesta.science.uva.nl/