Astronomen van de Leidse Sterrewacht hebben met supercomputerberekeningen een 60 jaar oud probleem ontraadseld over het ontstaan van snelle ‘marathonsterren’. Deze marathonsterren werden in 1954 ontdekt door de Groningse professor Adriaan Blaauw, die ze ‘wegloopsterren’ noemde. Michiko Fujii en Simon Portegies Zwart publiceren hun resultaat vandaag op Science Express.

Meer dan 20% van alle sterren, waarvan sommige wel honderd keer zwaarder dan de zon, razen met grote snelheid door de Melkweg, maar de oorsprong van deze snelheid (tientallen kilometers per seconde) was tot op heden niet verklaard. Er waren twee gangbare theorieën: de sterren worden versneld door de supernova-ontploffing van een nabijgelegen ster, of ze worden weg gekegeld als gevolg van een gravitationele interactie met andere sterren.

De Leidse onderzoekers hebben nu met supercomputerberekeningen aangetoond dat vrijwel al dit soort snelle sterren door bijna-botsingen met zware dubbelsterren worden weggeschoten uit de groep waarin ze zijn geboren. Uit de berekeningen blijkt dat de eerder dit jaar ontdekte superzware snelle sterren VFTS~682 en 30Dor~016 ongeveer een miljoen jaar geleden zijn weg gekegeld uit de sterrenhoop R136 in het 30 Doradus-gebied, dat ook wel de Tarantulanevel wordt genoemd. De nevel bevindt zich in de Grote Magelhaense Wolk, een naburig sterrenstelsel van de Melkweg.

De onderzoekers voorspellen dat het object R145, dat ook in het 30 Doradus-gebied staat, uit twee sterren moet bestaan die met een periode van ongeveer vijf jaar om elkaar heen draaien. Deze dubbelster zou een miljoen jaar geleden na een interactie met een andere ster, die nu helemaal aan de andere kant van de sterrenhoop R136 staat, zijn weg gekegeld. "Nieuwe waarnemingen aan de twee sterren zullen kunnen uitwijzen of we gelijk hebben", zegt de Leidse professor Simon Portegies Zwart. "Dergelijke metingen zijn niet eenvoudig, maar ik verwacht dat we die in de komende 2 à 3 jaar kunnen uitvoeren."

Tevens laten de onderzoekers zien dat iedere sterrenhoop een stuk of 20 snelle sterren produceert. “Dit is geheel consistent met het aantal bekende marathonsterren in de Melkweg”, aldus Portegies Zwart.

De computer die de onderzoekers voor de berekeningen gebruikten hebben ze zelf, in samenwerking met onderzoekers van het LIACS in Leiden, het KNMI en de TU Delft gebouwd. Het is een van de snelste computers van Nederland en heet ’Little Green Machine’ (LGM), vanwege zijn lage energieverbruik. De astronomen kregen de eerste aanwijzingen bij het testen van de LGM. Toen bleken bij veel berekeningen sterren met ongewoon hoge snelheid te worden weg gekegeld. “Met de nieuwe computer konden we vervolgens gedetailleerde berekeningen uitvoeren en mede hierdoor zijn we in staat geweest het oude probleem van de marathonsterren op te lossen", aldus Portegies Zwart.

Information

The methods used in stellar dynamics are adopted from theoretical physics. The student is expected to have a fundamental understanding of statistical physics, (vector) calculus, electrodynamics, classical mechanics and should be able to program a computer

Teacher: Simon Portegies Zwart

Assistant: Moein Mosleh

 

Time & Place:

Each friday from 13:45 to 15:30 in HL427

 

Exam

Example Exam

- The example exam can be found here

- The REAL exam can be found here

Lecture information

Lecture 1

Subjects:

- Gravitational Force

- The 3 laws of Newton

-Energy conservation

Assignment:

- At which mass does gravity become important. (How many protons are required before they become self gravitating.)

Paper:

A family of models for Spherical Stellar Systems

Lecture 2

Subjects:

- Potential Theory

- Newtons first and second theorm

Assignment:

- Given p(r) = R / (r^2(r+R^2)) where R = constant

  • Whhat is normalisation p(r)
  • What is M(r)
  • What is phi(r)
  • What can say about circular speed at:
    • r << R (deep in the potential well)
    • r >> R (far away from the center)

Paper:

Standardised Units and Time Scales (Heggie et. al.)

Lecture 3

Subjects:

- What to do with Potentials

- Keplers problem (Orbits)

- Equation of motion (in circular coordinates)

- Angular Momentum

Assignment:

- Given F = -(GM / r2) , rdot = phidot(dr/dphi) , (1/r) = C cos (phi - phi0) + GM/L2

  • Demonstrate that: sin (phi - phi0) = (Lrdot) / eGM
  • Give an expression for V∞ (t -> ∞ ) = V∞(e, L)
  • Give an expression for lcord = a(1-e2)
    • Is it true?
    • What is special about it?

Paper:

Ejection of Hypervelocity Stars By The (Binary) Block Hole In The Galactic Center (section 1)

Lecture 4

Subjects:

- Motion of the center of mass

- Deflection Angle

- Encounter time

- Coulomb logarithm

 

Paper:

Discovery of an Unbound Hypervelocity Star in the Milky Way Halo

 

Assignment:

Read the following paper:

Mass Segregation, Relaxtion And the Coulomb Logarithm in N-body Systems

- Now measure the Coulomb logarithm in a computer simulation.

Make use of a N-body code, examples can be found, for example, on www.nbabel.org

Input files can be found here: http://nbabel.org/files/input/SD/SD.zip (Note that these files are in the format as descripbed on nbabel.org )

 

Lecture 5

Subjects:

- Dynamical friction

Paper:

Gravitational focusing and shielding of meteoroid streams

 

Lecture 6

Subjects:

- Distribution functions

- Continuity function

- Collisionless Boltzman Equation

Paper:

Self-consistent determinations of the total amount of matter near the sun

 

Reading material for lecture 6 and 7

(Read in the order as written down here)

B&T first edition:

  • 8.2.1
  • 1.E.a
  • 4.1
  • 4.2
  • 2.2.3
  • 4.2.1b
  • 4.2.1d

B&T second edition:

  • 7.2.2
  • 7.2.3
  • 7.2.4
  • F.1.1
  • F.1.2
  • 4.1
  • 4.1.2
  • 2.3.3

 

Lecture 7

Subjects:

- Collisionless Boltzman Equation

- Jeans equation

- Distribution functions

 

Assignments: Error propegation in the Oort limit

- Rewrite the Jeans equations for a Cylindrical symmetric system

- Use the Poisson equations for a flattend stellar system to eliminate the potentioal term in the Jeans equations

- Calculate the Oort limit by introducing an error ' y' in the observed distance to a tracer populations

- How does the energy propagate in the calculation of the Oort limit?

 

Paper:

The kinematics and dynamics of the galactic globular cluster system

 

Lecture 8

Subjects:

- Sphericla Stellar Systems

- Plummer

- Distribution functions

 

Assignments: None

Paper: None

 

Lecture 9


Subjects:

 

Assignments:

Stability of Lagrange points and core collapse

In the original 1987 edition of BT, chapt. 2 (p. 140), the authors
proved that the Lagrange points L4 and L5 of the rotating logarithmic
potential are always stable. Accoeding to Pfenniger (1990, A&A 230,
55) this proof was incorrect according to was modified in the new
edition of BT.

1. What was wrong with the original proof?

2. Settle any doubts we still might have by numerically solving an
initial-value problem of Newton's equation of motion in the
corotating frame of reference for the appropriately chosen
potential and rotation speed to demonstrate the instability around
L4 and L5. Use one of the N-body codes from nbabel.org to settle
the issue. Explain how you select initial conditions and
demonstrate what orbits are stable, and when they become unstable.
Start with the stability around L1, L2 and L3, and then construct
initial conditions for L4 and L5.

3. Integrate a 1000 particle Plummer sphere using one of the Nbabel
N-body codes until core collapse. Does the code crash?

4. Reproducing fig.8.1 (BT87) using this simulation.
Explain what happens.

Paper:

On Core Collaps

 

Lecture 10


Subjects:

- Binaries

Papers:

The evolution of a primordial binary population in a globular cluster

Monte Carlo Simulations of Globular Cluster Evolution. III. Primordial Binary Interactions

 

Added on 10 -december.

Page 140 of the old book. Used for assignment of lecture 9. Click here for the page

 

 


AMUSE: The Astrophysical Multi-Scale Environment

Bonsai: A GPU-enabled tree-code.

CUDA / OpenCL wrapper: Wrapper library for CUDA and OpenCL functions.

MUSE: the Multiscale Multiphysics Scientific Environment, a package to combine astrophysical codes.

MPWide: the light-weight communication library.

NBabel: N-body integrators in different languages.

Octgrav: A GPU-enabled tree-code.

Sapporo: A graphics library to calculate gravitational dynamics on your GPU! (Latest version 1.6)

SUSHI: A cosmological N-body code which can be used to simulate the Universe across supercomputers.

In 2013, the following course will be given:

- Computational Astrophysics (Inter Academy Course)

 

Previous courses

In 2011-2012, the following courses will be given:

-Computational Astrophysics

 

In 2010-2011:

- Stellar Dynamics

-Computational Astrophysics

 

In 2009-2010:

Computational Astrophysics, the course website can be found here

AMUSE

The AMUSE package aims to integrate a wide variety of astrophysical codes, amongst which stellar dynamics, stellar evolution, gas dynamical and radiative transfer codes, into a coherent framework. AMUSE will be open sourced and available to the astrophysical community in order to facilitate calculations for which multiple physical ingredients are necessary.

CosmoGrid

The CosmoGrid project aims to unite the supercomputers of the world. Currently we are running a huge cosmological simulation

Astrophysics on GPUs

Your GPU is perfectly capable of doing astrophysical simulations. We are working towards implementing current N-body algorithms in CUDA.

Movies&Pictures

The CosmoGrid dress rehearsal