Zulke jonge sterclusters zijn een recent ontdekte klasse van objecten, waarvoor Portegies Zwart de naam YoDeC introduceert (Young Dense Cluster). Een YoDeC bevat een groot aantal sterren die maar een paar miljoen jaar oud zijn, astronomisch gesproken zeer pril.
Het startpunt voor de simulaties met de Japanse supercomputer GRAPE-6 vormde de recente waarneming met de Chandra satelliet van een heldere rontgen-bron in een stercluster in het sterrenstelsel M82, en optische opnamen met de Hubble- Keck en Subaru-telescoop. De waarnemingen worden het beste verklaard met een zwart gat dat ongeveer duizend maal zwaarder is dan de zon. Het bestaan van zulke middelzware zwarte gaten was omstreden, ook omdat onduidelijk was hoe ze ontstaan (al langer is bekend dat een zware ster kan ineenstorten tot een zwart gat van ten hoogste enkele zonsmassa's, en dat de kern van menig sterrenstelsel wordt gevormd door een superwaar zwart gat van miljoenen zonsmassa's).
Het internationale team van onderzoekers gebruikte twee onafhankelijk ontwikkelde simulatie-programma's (Starlab en NBODY4) om het gedrag van dergelijke sterrenhopen te simuleren en kregen kwalitatief dezelfde uitkomsten. Beide programma's berekenen de baanbeweging en de astrofysische evolutie van 600.000 individuele sterren, met als resultaat een sterrenhoop met de waargenomen eigenschappen en in het centrum een zwart gat van 800 tot 3000 zonsmassa's. Het zwarte gat ontstond door een reeks opeenvolgende botsingen tussen sterren.
Zo'n uit de hand lopende kettingbotsing blijkt alleen op te treden bij overschrijding van een kritische bevolkingsdichtheid, die ligt op een miljoen maal de ster-dichtheid in de omgeving van de zon. Door frequente botsing en samensmelting van sterren ontstaat dan een centrale ster van een enorme omvang, die onvermijdelijk ineen stort tot een middelzwaar zwart gat. De gedetailleerde computersimulaties tonen aan dat dit proces zeer snel verloopt, binnen vier miljoen jaar na het ontstaan van de YoDeC. De felle rontgen-straling uit het centrum van de cluster wordt opgewekt door gas,stof en wellicht complete sterren die later in het zwarte gat vallen. Volgens de auteurs levert dit onderzoek zowel een overtuigend ontstaansmechanisme voor middelzware zwarte gaten op als een goede verklaring voor de waargenomen eigenschappen van jonge, dichte sterrenhopen.
De GRAPE teamleden zijn: Simon Portegies Zwart (Universiteit van Amsterdam),Holger Baumgardt (RIKEN, Tokyo), Piet Hut (Institute for Advanced Study, Princeton), Jun Makino (Tokyo University), Steve McMillan (Drexel University, Philadelphia).
Nature, 15 april 2004: ' Formation of massive black holes through runaway collisions in dense young star clusters'
Het onderzoek werd gefinancierd door de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen; Institute of Advanced Physical and Chemical Research; NASA; University of Tokyo.
De GRAPE-6 computer in Tokyo, speciaal onwikkeld voor N-body simulaties.
Artist Impression van de YoDeC MGG-11, zoals gesimuleerd met GRAPE-6. Uitvergroting: simulatie van een sterbotsing in het centrum. (beeld: Musashino Art University, Tokyo)
Chandra rontgen-opname van een deel van M82. Op de plaats van de cirkels en vierkantjes bevinden zich sterclusters. Uitvergroting: infrarood opname van twee YoDeC's, MGG-11 en MGG-9, respektievelijk met en zonder rontgenbron. De heldere rontgenbron li
Het sterrenstelsel M82 (foto Subaru telescope). De sterclusters uit het onderzoek bevinden zich op het kruispunt van de gele lijnen.