In tegenstelling tot eerdere simulaties modelleert COLIBRE het koude gas en kosmisch stof in sterrenstelsels. Dit zijn de ‘grondstoffen’ waaruit sterren ontstaan, en het heeft bovendien een grote invloed op hoe sterrenstelsels er door telescopen uitzien. Door deze voorheen ontbrekende ingrediënten mee te nemen en veel meer rekenkracht te gebruiken, slagen de simulaties erin om echte sterrenstelsels te reproduceren die de James Webb Space Telescope (JWST) zowel in het nabije universum als in het vroege heelal waarneemt. De resultaten laten zien dat het kosmologische standaardmodel de vorming van sterrenstelsels nauwkeuriger verklaart dan eerder werd gedacht.
Digitaal koud gas en stofdeeltjes
Volgens de wetenschappers verleggen de COLIBRE-simulaties de grenzen in meerdere opzichten. In eerdere simulaties kon gas in sterrenstelsels niet afkoelen tot onder de 10.000 graden – wat warmer is dan het oppervlak van de zon. Het modelleren van kouder gas was te complex. Uit waarnemingen blijkt echter dat sterren zich juist vormen in koud gas. COLIBRE bevat de aanvullende natuurkundige en chemische processen die nodig zijn om dit koude interstellaire gas rechtstreeks te modelleren.
COLIBRE simuleert ook kleine stofdeeltjes, die op hun beurt een grote invloed hebben op het gas in sterrenstelsels. Deze vaste deeltjes helpen om waterstofmoleculen te vormen, die het koude galactische gas domineren. Het stof beschermt het gas ook tegen ultraviolette straling en heeft een grote invloed op hoe sterrenstelsels er door telescopen uitzien. Stof absorbeert ultraviolet en optisch licht van sterren en zendt het opnieuw uit in het infrarood, wat veel astronomische waarnemingen beïnvloedt. Door stof rechtstreeks te modelleren, opent COLIBRE nieuwe manieren om simulaties te vergelijken met echte gegevens.
Dankzij betere algoritmes en supercomputers gebruikt COLIBRE tot 20 keer meer resolutie-elementen dan eerdere simulaties, waardoor het model grotere volumes gedetailleerder simuleert.
Een nieuw laboratorium
COLIBRE laat zien dat een realistische simulatie van koud gas en stof essentieel is om de evolutie van sterrenstelsels te begrijpen. Daarbij is ook de invloed van materiaal dat sterren en zwarte gaten de ruimte in blazen cruciaal. Het model is een nieuw laboratorium voor het testen van theorieën, het interpreteren van waarnemingen en het creëren van ‘virtuele waarnemingen’ om te controleren hoe astronomen echte gegevens analyseren.
“Veel van het gas in sterrenstelsels is koud en ‘stoffig’, maar in de meeste eerdere grote simulaties werd dit noodgedwongen genegeerd”, zegt hoogleraar Joop Schaye van de Universiteit Leiden, die leiding geeft aan het project. “Met COLIBRE brengen we deze essentiële componenten wél in beeld.”
COLIBRE laat zien dat het huidige kosmologische model consistent is met waarnemingen van de evolutie van sterrenstelsels. Het kan ook de relatief grote massa's van sterrenstelsels in het vroege heelal verklaren. “Sommige vroege JWST-resultaten werden beschouwd als een uitdaging voor het standaard kosmologische model”, zegt postdoc Evgenii Chaikin van de Universiteit Leiden, hoofdauteur van verschillende begeleidende COLIBRE-artikelen en coauteur van de hoofdstudie. “COLIBRE laat zien dat het model consistent is met wat we zien, zodra je belangrijke fysische processen realistisch weergeeft.”
Toch is nog niet alles verklaarbaar. De raadselachtige ‘Little Red Dots’ die de JWST ontdekte zijn mogelijk de kiemen van superzware zwarte gaten, en COLIBRE voorspelt ze niet. Hiervoor zijn simulaties met een nog hogere resolutie en meer fysica nodig.
De simulaties werden uitgevoerd met behulp van de SWIFT-simulatiecode op de COSMA8-supercomputer, die onderdeel is van de DiRAC-faciliteit in het Verenigd Koninkrijk. De grootste simulatie vergde 72 miljoen CPU-uren en de ontwikkeling van het model duurde bijna 10 jaar. Volgens de wetenschappers duurt het nog jaren om de door het model geproduceerde gegevens te analyseren. Waar de meeste simulaties in 2025 waren voltooid, zijn sommige van de simulaties met de hoogste resolutie naar verwachting na deze zomer klaar.
Een universum dat je kunt zien en horen
Naast de traditionele dataproducten ontwikkelde het team een aantal nieuwe manieren om de simulaties te verkennen, zoals ‘gesonificeerde video’s’ waarbij geluid aanvullende fysieke informatie codeert. Ook zijn er interactieve kaarten waarmee je de virtuele universa kunt verkennen.
“We zijn enthousiast over de wetenschap, maar ook over de mogelijke manier om de simulaties te verkennen”, concludeert dr. James Trayford van de Universiteit van Portsmouth, die leiding gaf aan de ontwikkeling van het stofmodel van COLIBRE en de sonificatie van de visualisaties. “Deze tools kunnen nieuwe inzichten opleveren, ons vakgebied toegankelijker maken en ons helpen intuïtie te ontwikkelen voor de groei en evolutie van sterrenstelsels.”
Eerste wetenschappelijke artikel
Tweede wetenschappelijke artikel
Afbeeldingen, gesonificeerde video's en interactieve media