[論文レビュー] The importance of the way in which supernova energy is distributed around young stellar populations in simulations of galaxies

Evgenii Chaikin, Joop Schaye+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 72被引用数 35

ひとこと要約

本研究では、超新星（SN）エネルギー注入に用いるガス粒子の選択方法が、銀河シミュレーションに与える影響を調査する。SPHコード swift を用い、固定された確率的熱的SNフィードバックモデルのもとで、質量加重、等方的、最近傍、最も密度が低い、最も密度が高いの5つの近接粒子選択手法を比較する。主な発見は、等方的エネルギー分布が従来の質量加重選択よりもはるかに高いフィードバック効率を示し、星形成率とウィンド質量ローディング要因は、手法によって数倍の差が生じることである。これは、近接粒子選択がエネルギー予算の調整と同程度に重要であることを示している。

ABSTRACT

Supernova (SN) feedback plays a crucial role in simulations of galaxy formation. Because blastwaves from individual SNe occur on scales that remain unresolved in modern cosmological simulations, SN feedback must be implemented as a subgrid model. Differences in the manner in which SN energy is coupled to the local interstellar medium and in which excessive radiative losses are prevented have resulted in a zoo of models used by different groups. However, the importance of the selection of resolution elements around young stellar particles for SN feedback has largely been overlooked. In this work, we examine various selection methods using the smoothed particle hydrodynamics code SWIFT. We run a suite of isolated disk galaxy simulations of a Milky Way-mass galaxy and small cosmological volumes, all with the thermal stochastic SN feedback model used in the EAGLE simulations. We complement the original mass-weighted neighbour selection with a novel algorithm guaranteeing that the SN energy distribution is as close to isotropic as possible. Additionally, we consider algorithms where the energy is injected into the closest, least dense, or most dense neighbour. We show that different neighbour-selection strategies cause significant variations in star formation rates, gas densities, wind mass loading factors, and galaxy morphology. The isotropic method results in more efficient feedback than the conventional mass-weighted selection. We conclude that the manner in which the feedback energy is distributed among the resolution elements surrounding a feedback event is as important as changing the amount of energy by factors of a few.

研究の動機と目的

• 異なるガス近傍粒子選択手法が銀河シミュレーションにおけるSNフィードバック効率に与える影響を調査すること。
• SPHシミュレーションにおける従来の質量加重近傍粒子選択が、密度勾配によるバイアスを生じるかどうかを検証すること。
• 同一のフィードバックモデルのもとで、最近傍、最も密度が低い、最も密度が高い、および等方的の代替選択戦略を評価すること。
• 近傍粒子選択の効果が、孤立シミュレーションと宇宙論的シミュレーションの両方、および解像度の変化に対して一貫しているかどうかを確認すること。
• 物理的条件、特に圧力床（pressure floor）の有無が結果に与える感度を評価すること。

提案手法

• 孤立したミルキーウェイ質量のディスク銀河と小規模な宇宙論的ボリュームを、滑らか化粒子流体力学（SPH）コード swift を用いてシミュレートした。
• DVS12（Dalla Vecchia & Schaye 2012）の固定された確率的熱的SNフィードバックモデルを用い、変更されたのは近傍粒子選択アルゴリズムのみとした。
• 解像度が許す範囲でエネルギーを均等に分配するように設計された、新たな等方的近傍粒子選択アルゴリズムを実装した。
• 5つの手法を比較した：質量加重（ベースライン）、等方的、最近傍、最も密度が低い、最も密度が高いガス粒子選択。
• すべてのシミュレーションで、同一のフィードバックエネルギー注入および冷却処理を適用し、近傍粒子選択の影響を明確に分離した。
• 星形成率、ガス密度、ウィンド質量ローディング要因、および銀河の形態を、シミュレーション全体で分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SNフィードバックのためのガス近傍粒子選択方法の選択が、孤立ディスク銀河シミュレーションにおける星形成率にどのように影響するか？
• RQ2 SPHにおける質量加重近傍粒子選択が、密度が高いガスにエネルギーを注入するバイアスを生じるのか。もしそうならば、フィードバック効率にどのような影響を与えるか？
• RQ3 最近傍、最も密度が低い、最も密度が高い、および等方的の代替近傍粒子選択戦略は、フィードバック効率および銀河形態の観点でどのように比較できるか？
• RQ4 近傍粒子選択手法の違いは解像度が向上するに従って収束するのか。また、ウィンド質量ローディング要因にどのような影響を与えるか？
• RQ5 孤立シミュレーションの結果は、進化する銀河集団を含む宇宙論的シミュレーションへと一般化可能か？

主な発見

• 質量加重近傍粒子選択法は、SPHの固有の重み付けに起因し、密度の高いガスにエネルギー注入が偏るため、フィードバック効率が低下する。
• 等方的近傍粒子選択法は、質量加重選択に比べてはるかに高いフィードバック効率を示し、星形成率が低く、星の質量も減少する。
• min_density（最も密度が低い）法が最も効率的で、max_density（最も密度が高い）法が最も非効率的であり、星形成率の差は最大で数倍に達する。
• 主な手法の中で、等方的フィードバックは質量加重よりも効率的であり、min_distance（最近傍）フィードバックは等方的とほぼ同等の効率を示すため、両者とも代替として有効である。
• 近傍粒子選択による銀河の性質の差は解像度が向上するに従って増大するが、等方的および質量加重手法とも、特徴的な解像度で良好な収束を示し、特に後期には等方的法がわずかに優れた性能を発揮する。
• 圧力床（P ∝ ρ⁴/³）の導入があっても結果は頑健であり、近傍粒子選択の効果がこのような物理的制約とは独立していることが確認された。