Koud, stoffig, schitterend: wat nieuwe simulaties ons leren over het ontstaan van sterrenstelsels
Leidse wetenschappers leiden het COLIBRE-project, een baanbrekende reeks simulaties van het heelal. Door ook koude gaswolken en kosmisch stof te modelleren—de fysica die eerdere simulaties misten—tonen ze voor het eerst een realistisch beeld van hoe sterrenstelsels ontstaan en zich ontwikkelen.
In tegenstelling tot eerdere simulaties houdt COLIBRE nu rekening met koud gas en stof in sterrenstelsels. Door deze bouwstenen mee te nemen én veel meer rekenkracht te gebruiken, kan de simulatie sterrenstelsels nabootsen zoals we die vandaag de dag zien, en zoals ze in het vroege universum door de James Webb Space Telescope (JWST) zijn waargenomen. De resultaten, gepubliceerd in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, tonen dat het standaard kosmologische model de vorming van sterrenstelsels beter kan verklaren dan eerder gedacht. Er ontbraken alleen nog een paar cruciale puzzelstukjes uit de natuurkunde.
De ijskoude bouwstenen van sterren
Eerdere simulaties konden het gas in sterrenstelsels niet kouder maken dan ongeveer 10.000 graden Kelvin. Maar observaties laten zien dat sterren juist ontstaan in veel kouder gas. COLIBRE bevat de fysieke en chemische processen die nodig zijn om dit koude interstellaire gas rechtstreeks te simuleren.
COLIBRE simuleert ook kleine stofdeeltjes, die een grote invloed hebben op het gas in sterrenstelsels. Stof maakt de vorming van watermoleculen mogelijk: die ontstaan vooral op stofdeeltjes en vormen het grootste deel van het koude gas waaruit nieuwe sterren ontstaan. Daarnaast beschermt stof het gas tegen schadelijke ultraviolette straling en bepaalt het hoe sterrenstelsels er in telescopen uitzien.
Hoe bepaalt straling hoe wij sterrenstelsels waarnemen?
Het absorbeert ultraviolet en zichtbaar sterlicht en straalt dat opnieuw uit in het infrarood: een proces dat veel astronomische waarnemingen beïnvloedt. Door stof direct mee te nemen in de simulatie, ontstaan nieuwe mogelijkheden om de modellen nauwkeurig te vergelijken met echte waarnemingen.
Dankzij verbeterde algoritmes en krachtige supercomputers werkt COLIBRE met tot wel twintig keer meer resolutie-elementen dan eerdere simulaties. Daardoor kunnen wetenschappers grotere delen van het universum simuleren, met meer detail én betrouwbaardere statistieken.
Sterrenstelsels verkennen in een virtueel laboratorium
Het realistisch modelleren van koud gas, stof en de invloed van sterren en zwarte gaten is essentieel om de evolutie van sterrenstelsels te begrijpen. COLIBRE fungeert als een krachtig visueel laboratorium. Hier kunnen onderzoekers theorieën testen, waarnemingen interpreteren en zelfs virtuele observaties uitvoeren om te controleren hoe astronomen echte gegevens analyseren.
‘Met COLIBRE brengen we essentiële bouwstenen eindelijk expliciet in beeld.’
‘Veel gas in echte sterrenstelsels is koud en stoffig, maar de meeste grootschalige simulaties moesten dat tot nu toe vereenvoudigen of negeren,’ zegt projectleider Joop Schaye van de Sterrewacht Leiden. ‘Met COLIBRE brengen we deze essentiële onderdelen eindelijk expliciet in beeld.’
Dankzij de verbeterde simulaties blijkt dat het standaard kosmologische model standhoudt — zelfs bij verrassend zware sterrenstelsels in het vroege universum, die eerder moeilijk te verklaren leken. ‘Sommige vroege JWST-resultaten leken het standaardmodel uit te dagen’, zegt Evgenii Chaikin van de Sterrewacht Leiden, hoofdauteur van verschillende COLIBRE-publicaties. ‘Maar zodra we de belangrijkste fysische processen realistischer modelleren, komt het standaardmodel goed overeen met onze waarnemingen.’
De Leidse fysicus Matthieu Schaller richtte zich op de ontwikkeling van de software en de uitvoering van grootschalige simulaties. Hij voegt toe: ‘De resultaten zijn indrukwekkend. Het zijn de meest realistische simulaties van het universum tot nu toe. Ze helpen ons de relatie tussen waarnemingen en kosmologie beter te begrijpen en vormen een belangrijk hulpmiddel bij het interpreteren van moderne observatiedata.’
Mysteries en mega-simulaties
Sommige vragen blijven vooralsnog onbeantwoord. COLIBRE voorspelt nog niet de mysterieuze ‘Little Red Dots’ die JWST ontdekte (mogelijk de zaadjes van superzware zwarte gaten). Het model gaat ervan uit dat deze zaadjes al bestaan. Om het ontstaan te simuleren zijn nog hogere resoluties en aanvullende natuurkunde nodig, een mooi startpunt voor toekomstig onderzoek.
De astronomen voerden de simulaties uit met de SWIFT-code op de COSMA8-supercomputer van de DiRAC-faciliteit in het Verenigd Koninkrijk. De grootste simulaties vergde 72 miljoen CPU-uren, en het volledige project duurde bijna tien jaar, met bijdragen van teams uit Europa, Australië en de VS. Het zal nog jaren duren voordat de enorme dataset volledig is geanalyseerd. De meeste simulaties zijn in 2025 afgerond, maar de hoogste resoluties lopen nog door en worden na de zomer verwacht.
‘We zijn niet alleen enthousiast over de wetenschap, maar creëren ook graag manieren om die te ervaren.’
Een universum dat je kunt zien én horen
Naast de traditionale data ontwikkelde het team nieuwe manieren om de simulaties te beleven. Denk aan ‘sonificatie-video’s’, waarin de gegevens van de simulatie worden omgezet in geluid, zodat je het universum als het ware kunt horen, en interactieve kaarten waarmee gebruikers virtuele universums kunnen verkennen.
‘We zijn niet alleen enthousiast over de wetenschap, maar creëren ook graag manieren om die te ervaren, zegt James Trayford van de Univeristy of Portsmouth, die het stofmodel en de sonificatie leidde. ‘Deze tools geven nieuwe inzichten, maken ons vakgebied toegankelijker en helpen ons beter te begrijpen hoe sterrenstelsels groeien en zich ontwikkelen.’
Wetenschappelijk artikel
‘The COLIBRE project: cosmological hydrodynamical simulations of galaxy formation and evolution’, Schaye et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.21126
‘COLIBRE: calibrating subgrid feedback in cosmological simulations that include a cold gas phase’, Chaikin et al.
DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2509.04067
Video en beeldmateriaal
Afbeeldingen, video’s en interactief materiaal van de COLIBRE-simulaties zijn hier beschikbaar!
Media die ontwikkeld zijn met behulp van COLIBRE vind je hier: gesonificeerde video’s, interactieve schuifbalken en interactieve kaarten.
Dit persbericht verscheen oorspronkelijk op astronomie.nl.
Over NOVA
De Nederlandse Onderzoekschool voor Astronomie (NOVA) is het samenwerkingsverband van de sterrenkundige instituten van de universiteiten van Amsterdam, Groningen, Leiden en Nijmegen. Toponderzoekschool NOVA heeft alsmissie het uitvoeren van baanbrekend sterrenkundig onderzoek, het opleiden van jonge astronomen op het hoogste internationale niveau en het delen van nieuwe ontdekkingen met de samenleving. De NOVA-laboratoria zijn gespecialiseerd in het bouwen van state-of-the-art optische/infrarood- en submillimeter-instrumentatie voor de grootste telescopen op aarde.