Christiaan Huygens

Prijswinnaar 2013

Ruimtewetenschappen

Diederik Kruijssen (28), op 6 juni 2011 te Utrecht gepromoveerd op het proefschrijft ĎFormation and evolution of star clusters and their host galaxies' (De gezamenlijke ontwikkeling van sterrenhopen en sterrenstelsels).

Beschrijving dissertatie

Toen de Hubble Ruimtetelescoop in 1990 gelanceerd werd, verschafte die een blik op de kosmos als nooit tevoren. In verreweg de meeste sterrenstelsels (objecten zoals onze eigen Melkweg, die grote hoeveelheiden gas en honderden miljarden sterren bevatten) werd een breed scala aan helder gekleurde sterrenhopen ontdekt, groepen van honderden tot miljoenen sterren die uit dezelfde gaswolk geboren zijn en door hun onderlinge zwaartekracht bij elkaar blijven. Al gauw werd duidelijk dat deze sterrenhopen, dankzij hun helderheid en makkelijk vast te stellen leeftijd, gebruikt kunnen worden om de vormingsgeschiedenis te reconstrueren van de sterrenstelsels waar ze zich in bevinden.

Het proefschrift gaat in op de vorming en ontwikkeling van sterrenhopen en hoe deze nauw verbonden zijn met hun galactische omgeving. Inzicht in de invloed van de galactische context maakt het mogelijk om sterrenhopen te gebruiken als fossielen van de ontstaansgeschiedenis van hun sterrenstelsel.

In het eerste deel van het onderzoek wordt besproken onder welke omstandigheden de geboorte van sterren leidt tot het ontstaan van sterrenhopen. Slechts een kleine fractie van alle sterren bevindt zich momenteel in sterrenhopen. Voorheen werd gedacht dat alle sterren geboren worden in sterrenhopen, waarvan vervolgens meer dan 90% direct weer uit elkaar valt. Met behulp van computersimulaties wordt in dit proefschift echter aangetoond dat de processen die tot een dergelijk uiteenvallen zouden moeten leiden in de praktijk niet de verwachte uitwerking hebben. De enig mogelijke consequentie is daardoor dat slechts een kleine fractie van alle sterren in door de zwaartekracht gebonden sterrenhopen geboren wordt. Deze fractie neemt toe in gebieden van hogere dichtheid.

Het tweede deel neemt de ontwikkeling van sterrenhopen onder de loep. Op de lange termijn worden sterrenhopen uiteengetrokken door de getijdekrachten van hun sterrenstelsel en door zwaartekrachtsverstoringen door nabije gaswolken. In dit proefschrift wordt een nieuw model afgeleid dat niet alleen vele malen efficiŽnter is dan grote computersimulaties, maar dat bovendien met een vergelijkbare nauwkeurigheid voorspelt welke sterren er precies aan een uiteenvallende sterrenhoop ontsnappen. Op die manier kunnen de eigenschappen van een sterrenhoop (zoals de kleur en helderheid) in iedere fase van zijn ontwikkeling gemakkelijk worden bepaald. In het bijzonder wordt dit model gebruikt om de eigenschappen te verklaren van bolvormige sterrenhopen Ė de oudste structuren in het nabije heelal, die vlak na de oerknal moeten zijn ontstaan.

Het derde deel bouwt voort op de voorgaande delen met grote computersimulaties van geÔsoleerde en botsende sterrenstelsels, waarin voor het eerst de gehele sterrenhooppopulatie wordt gemodelleerd. In deze simulaties wordt de invloed van de sterrenstelsels op het ontstaan en uiteenvallen van hun sterrenhopen volledig gevolgd door de getijdewerking op iedere sterrenhoop nauwkeurig te berekenen.

Het eerste resultaat van de simulaties is dat de snelheid waarmee sterrenhopen uiteenvallen enorm varieert in de ruimte en tijd, en dat deze variatie bepaalt welke sterrenhopen de gebeurtenissen in hun galactische omgeving overleven. Ten onrechte kan deze variatie onder bepaalde omstandigheden de indruk wekken dat de omgeving geen enkele rol van betekenis speelt in het uiteenvallen van sterrenhopen, wat verklaart waarom eerdere onderzoeken tot tegenstrijdige conclusies zijn gekomen.

Ten tweede tonen de simulaties aan dat botsingen tussen sterrenstelsels leiden tot een afname van het aantal sterrenhopen. Dit is precies het tegendeel van wat men verwachtte omdat er in botsende sterrenstelsels juist heel veel sterrenhopen worden geboren. De vernietiging van sterrenhopen heeft echter de overhand Ė de hoge dichtheden die tot de vorming van grote aantallen sterrenhopen leiden, gaan gepaard met snel wisselende zwaartekrachtsvelden en zorgen er daardoor voor dat de sterrenhopen snel weer worden verwoest. In het proefschrift wordt voorgesteld dat een dergelijke efficiŽnte vernietiging een sleutelrol heeft gespeeld bij de vorming van bolvormige sterrenhopen in jonge sterrenstelsels van extreem hoge dichtheid, kort na de oerknal. Bolvormige sterrenhopen zouden in dat geval de enige overlevenden zijn van een vernietigingsgolf die meer dan 99% van alle sterrenhopen heeft verwoest.

De resultaten van dit proefschrift laten zien dat de vorming en ontwikkeling van sterrenhopen niet zo eenvoudig verloopt als voorheen werd gedacht. Daarnaast biedt het een fysisch raamwerk om de eigenschappen van sterrenhooppopulaties te interpreteren en te begrijpen hoe deze voortdurend de sporen dragen van de vorming en ontwikkeling van de sterrenstelsels waar ze zich in bevinden. Zo kunnen de oudste sterrenhopen nieuwe inzichten bieden in hoe de eerste sterrenstelsels ontstonden.