[論文レビュー] FIRE-3: Updated Stellar Evolution Models, Yields, & Microphysics and Fitting Functions for Applications in Galaxy Simulations

Philip F. Hopkins, Andrew Wetzel+19 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、フィードバックをリアルな環境に組み込んだ（FIRE）銀河シミュレーションフレームワークの大幅なアップデートであるFIRE-3を提示する。最新の星の進化モデル、更新された核融合生成物、および高密度で寒冷な星間媒体（ISM）のための改善されたマイクロ物理学を統合している。主な貢献は、銀河シミュレーションに直接統合可能な包括的なフィッティング関数群であり、さまざまな銀河的環境において、星のフィードバック、冷却、化学進化のモデリング精度を著しく向上させている。

ABSTRACT

Increasingly, uncertainties in predictions from galaxy formation simulations (at sub-Milky Way masses) are dominated by uncertainties in stellar evolution inputs. In this paper, we present the full set of updates from the FIRE-2 version of the Feedback In Realistic Environments (FIRE) project code, to the next version, FIRE-3. While the transition from FIRE-1 to FIRE-2 focused on improving numerical methods, here we update the stellar evolution tracks used to determine stellar feedback inputs, e.g. stellar mass-loss (O/B and AGB), spectra (luminosities and ionization rates), and supernova rates (core-collapse and Ia), as well as detailed mass-dependent yields. We also update the low-temperature cooling and chemistry, to enable improved accuracy at $T \lesssim 10^{4}\,$K and densities $n\gg 1\,{ m cm^{-3}}$, and the meta-galactic ionizing background. All of these synthesize newer empirical constraints on these quantities and updated stellar evolution and yield models from a number of groups, addressing different aspects of stellar evolution. To make the updated models as accessible as possible, we provide fitting functions for all of the relevant updated tracks, yields, etc, in a form specifically designed so they can be directly 'plugged in' to existing galaxy formation simulations. We also summarize the default FIRE-3 implementations of 'optional' physics, including spectrally-resolved cosmic rays and supermassive black hole growth and feedback.

研究の動機と目的

• サブ・ミルキーウェイ質量域における銀河形成シミュレーションの増大する不確実性に対処するため、星のフィードバック入力を改善すること。
• 星の進化、質量損失、光度、イオン化率、超新星発生率に関する最新の実験的および理論的制約を統合すること。
• 金属量が少ないまたは初期宇宙の状況における精度を向上させるために、低温冷却および化学モデルを高密度で寒冷なISMガス（T ≲ 10⁴ K、n ≫ 1 cm⁻³）に対して強化すること。
• 非FIREシミュレーションでも利用可能な、星の軌道、生成物、マイクロ物理学のためのアクセスしやすい即時利用可能なフィッティング関数を提供すること。
• 現在の星の天文学の状態に銀河シミュレーションを anchored するとともに、CO や CII線放射といった観測診断法の予測精度を向上させること。

提案手法

• 複数の研究グループによる最新のモデルを用いて、質量依存の生成物とO/BおよびAGBの質量損失を改善した星の進化軌道を更新した。
• 最新の星族合成および遅延時間分布関数に基づいて、核心崩壊型およびType Ia超新星の発生率を再評価した。
• 低温冷却および化学ルーチンを改善し、T ≲ 10⁴ K かつ高密度での高密度で寒冷なISMガスの正確なモデリングを可能にした。
• 現在の観測的制約と理論的モデルを用いて、メタ銀河のイオン化背景を更新した。
• 銀河シミュレーションコードへの直接統合を想定して設計された、すべての主要な星およびISM物理学入力のための新しい強固なフィッティング関数群を開発した。
• 将来の拡張のため、スペクトル分解能を持つ宇宙線や特大質量ブラックホールの成長およびフィードバックといったオプションの物理を含むデフォルト実装を提供した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 更新された星の進化モデルおよび生成物は、ミルキーウェイ未満の質量を持つ銀河のシミュレーション予測の精度をどの程度向上させるか？
• RQ2 改善された低温冷却および化学モデルは、金属量が少なくあるいは初期の銀河における高密度で寒冷なISMの力学的・熱力学的性質にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 進化した星からの更新された超新星発生率およびイオン化率は、ISMへのエネルギーおよび運動量注入にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 複数のソースからの合成から導かれたフィッティング関数は、多様なコードおよび赤方偏移において信頼的で即挿入可能な入力として機能するか？
• RQ5 更新されたマイクロ物理学および生成物は、CO や CII放射といった観測可能なトレーサーの予測にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• FIRE-3モデルは、複数の最新研究から得られた更新された星の進化および核融合生成物を統合しており、フィードバック入力の物理的妥当性を著しく向上させている。
• 冷却および化学ルーチンは、T ≲ 10⁴ K および密度 n ≫ 1 cm⁻³ まで正確に動作するようになり、金属量が少なくあるいは初期宇宙の環境における寒冷・高密度相のモデリングが改善された。
• 星の進化、生成物、マイクロ物理学のためのフィッティング関数が、銀河シミュレーションに直接利用可能な形で提供されており、外部コードにおける実装の障壁が低減された。
• 更新されたモデルにより、従来、サブ・ミルキーウェイ銀河シミュレーションにおいて主要な不確実性源であった星のフィードバック入力の不確実性が低減された。
• 新規に開発されたフィッティング関数は文献に初めて登場するものであり、誤った外挿を避けるために慎重に検証されており、関心のある全動的範囲にわたり強固であることが保証されている。
• 更新されたモデルにより、CO や CII放射といった観測診断法の予測精度が向上し、銀河内の詳細な星の元素組成パターンの予測にも寄与している。