[論文レビュー] Below the subgrid: uncertainties in supernova input rates drive qualitative differences in simulations of galaxy evolution

Ben Keller, J. M. Diederik Kruijssen|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2020

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、超新星（SN）入力率の不確実性——特に前身星質量のしきい値と遅延時間分布——が、銀河系に類似したシミュレーションにおいて、小スケールフィードバックモデルと総エネルギー予算を一定に保ったまま、定性的に異なる銀河進化の結果をもたらすことを示している。これらの不確実性は星形成のクラスタリングや銀河構造を顕著に変化させ、モデルの比較可能性と観測的妥当性の検証を困難にしている。

ABSTRACT

Feedback from core collapse supernovae (SNe), the final stage of evolution of the most massive stars, has long been a key element in simulations of galaxy formation. In this paper, we examine how simplifying assumptions made in approximating the SN rates along with underlying physical uncertainty in those rates can lead to large variations in the overall evolution of simulated Milky Way-like galaxies. We find that the clustering of star formation is strongly impacted by the delay between star formation and SN feedback. In addition, the choice to use a realistic delay time distribution or instantaneous injection for SN can have a significant impact on the galaxy. These effects appear even when identical sub-grid models are used for coupling SN energy and momentum, and the total SN energy budget is kept constant. In addition, we show that the uncertain minimum SN progenitor mass has a significant impact on the SN energy budget and injection timescale, and can completely change the overall evolution of the galaxy. These underlying uncertainties mean that despite advances in the sub-grid modelling of SN feedback, there are still serious difficulties in constraining the effects of SN feedback. This complicates the task of comparing different simulations to each other, as well as comparing simulations to observations. We conclude by providing practical limits on the parameters of subgrid models for SN feedback, which bound the uncertainty arising from SN progenitor physics for future predictions from galaxy simulations.

研究の動機と目的

• 宇宙論的シミュレーションにおける銀河系に類似した銀河の進化に、超新星（SN）入力率の不確実性が及ぼす影響を調査すること。
• 瞬間的注入と遅延注入の違いといった、SN発生率の近似における簡略化仮定が、シミュレートされた銀河の性質に与える影響を評価すること。
• 核心崩壊超新星の最小前身星質量が、SNエネルギー予算と注入タイムスケールに果たす役割を評価すること。
• SN前身星物理学に起因する不確実性を制限するための、小スケールフィードバックパラメータの実用的制約を同定すること。
• 内在的なSN発生率の不確実性がモデルの結果に与える影響を定量化することで、銀河シミュレーションの信頼性を向上させること。

提案手法

• 同一の小スケールフィードバックモデルと総SNエネルギー予算を用いて、銀河系に類似した銀河のシミュレーションを実施した。
• 2種類の異なるSN注入方式を比較した：瞬間的注入と、星の進化 timescales に基づく物理的に妥当な遅延時間分布（DTD）。
• 核心崩壊SNの最小前身星質量を変化させ、SNエネルギー予算とフィードバックタイミングへの影響を評価した。
• 星形成とフィードバックの結合を全走破で一貫してモデル化し、SN発生率の不確実性を主な変数として隔離した。
• 星形成歴、ガス分布、金属量といった銀河的性質をシミュレーション間で追跡・比較した。
• 構造的および運動的進化の統計的分析を用いて、SN入力仮定に起因する定性的な差を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 瞬間的注入と遅延注入のどちらを選ぶかが、銀河系に類似したシミュレート銀河の進化にどのように影響を与えるか？
• RQ2 核心崩壊超新星の最小前身星質量に関する不確実性が、SNエネルギー予算とフィードバックタイミングにどの程度影響を与えるか？
• RQ3 SN入力率の変動が、小スケールフィードバックモデルが同一であっても、定性的に異なる銀河形態と星形成歴を生じうるか？
• RQ4 これらの不確実性が、銀河シミュレーションの比較可能性および観測データとの整合性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 SN前身星物理学に起因する不確実性を最小限に抑えるための、小スケールフィードバックパラメータの実用的境界は何か？

主な発見

• 星形成と超新星フィードバックの間の遅延が、星形成のクラスタリングに顕著に影響し、遅延注入ではより広がりやすく、バースト的でない星形成歴が得られる。
• 瞬間的注入ではなく、現実的な遅延時間分布を用いることで、総SNエネルギーとフィードバックモデルが同一であっても、定性的に異なる銀河進化が得られる。
• 核心崩壊超新星の最小前身星質量に関する不確実性は、SNエネルギー予算と注入タイムスケールに顕著な影響を与え、全体的な銀河進化を変化させる。
• これらの不確実性は、標準的な小スケールフィードバック規定では捉えきれない、銀河構造と星形成パターンの変化を引き起こす可能性がある。
• 小スケールモデリングの進展にもかかわらず、SN入力率のこの内在的不確実性は、フィードバック効果の制約と観測データとの一致を図る上で依然として主要な障壁である。
• 本研究は、将来のシミュレーションにおいてSN前身星物理学に起因する不確実性を制限するための実用的パラメータ境界を提供している。