Use case: Cartesius en de witte dwergen

Hoe komt het dat het oppervlak van een witte dwerg (ster) zo veel zware metalen bevat? Om die vraag te beantwoorden, moest hoogleraar computationele astrofysica prof. dr. Simon Portegies Zwart met zijn promovendi het volledige zonnestelsel simuleren. Het project is zowel een sterrenkundige als een computationele uitdaging.

Computerbord closeup met aansluitingen

Wim Nieuwpoort award 2013

Het onderzoekproject van Zwart is zowel een sterrenkundige als een computationele uitdaging: het leverde de onderzoekers de Wim Nieuwpoort award 2013 op. Deze award wordt jaarlijks uitgereikt aan het team wetenschappers dat optimaal gebruik maakt van de nationale supercomputer bij SURFsara.

Zonnestelsel

Ons zonnestelsel bestaat uit een ster (de zon), een klein aantal planeten en een paar honderdduizend brokstukken: de planetoïden. “Dat zijn brokken steen van een paar kilometer in doorsnee met een eigen baan om de zon”, zegt Portegies Zwart (Universiteit Leiden). “Door de zwaartekracht interageren die brokstukken met elkaar. Planetoïden hebben een heel zwakke zwaartekracht, maar in de ruimte speelt die toch een rol. Vooral als ze banen hebben waardoor ze dicht bij elkaar komen, is die zwaartekracht van belang.”

“Je moet namelijk het gehele zonnestelsel in je berekening betrekken”

Schaalprobleem

Onderzoekers die de interactie tussen planetoïden willen berekenen, worden geconfronteerd met een enorm schaalprobleem, zowel in de ruimte als in de tijd. “Je moet namelijk het gehele zonnestelsel in je berekening betrekken”, legt Portegies Zwart uit. “Tegelijkertijd praat je bij botsingen over een schaal van enkele kilometers. In de tijd heb je aan de ene kant de levensduur van het zonnestelsel, 4,5 miljard jaar. Maar een ontmoeting tussen twee planetoïden speelt zich af op een tijdschaal van ongeveer 10 seconden. Daarmee loop je tegen de grenzen aan van wat een computer kan verwerken.”

Onderzoeksdoelstelling

Met dit onderzoek heeft de onderzoeksgroep van Portegies Zwart twee doelstellingen, een sterrenkundige en een computationele: “We kijken naar witte dwergen, sintels van sterren. Het blijkt dat de oppervlakte daarvan heel rijk is aan bepaalde zware metalen, zoals ijzer, tin en lood. Die zouden eigenlijk al lang in die ster weggezonken moeten zijn. Een mogelijke verklaring is dat er sprake is van een constante toestroom van zware metalen vanuit de ruimte. Die planetoïden zouden daar verantwoordelijk voor kunnen zijn: of ze komen direct in botsing met de ster, of ze komen met elkaar in botsing en het gruis regent vervolgens op de ster. Dat onderzoeken we nu.”

“We zijn in staat geweest om de code te schalen en heel efficiënt op Cartesius te draaien”

Computationele doelstelling

De computationele doelstelling is dat de onderzoekers dit zo efficiënt mogelijk willen uitrekenen met gebruikmaking van de rekenkracht van een supercomputer. “We zijn in staat geweest om de code te schalen en heel efficiënt op Cartesius te draaien”, aldus Portegies Zwart. “Dat werkt inmiddels, dus nu kunnen we aan de slag met de sterrenkundige vragen. Dat is een langlopend onderzoek, we zijn op dit moment bezig met een berekening die al bijna een jaar loopt.”

Allround HPC-centrum

Portegies Zwart vindt SURFsara een fijn instituut om mee samen te werken: “Ze zijn snel, responsief en ze hebben expertise in huis over de apparatuur. Ik reken ook veel op grote supercomputers in het buitenland, maar SURFsara is een van de prettigste instituten om mee te werken. Het is een allround High Performance Computing centrum. Juist datgene wat er omheen zit – de support – is heel belangrijk voor mij. Alleen maar een snelle bak neerzetten is niet voldoende."