[논문 리뷰] 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)|2020. 04. 07.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 1인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 은하계 유사 시뮬레이션에서 초신성(SN) 입력률의 불확실성—특히 원형질량 임계값과 지연시간 분포에 기인한 것—이 조건이 동일한 하위스케일 피드백 모델과 총 에너지 예산을 가진 상태에서도 은하 진화 결과에 정성적으로 다른 영향을 미친다는 것을 보여준다. 이러한 불확실성은 별 형성 클러스터링과 은하 구조를 크게 변화시켜 모델 간 비교와 관측 검증을 어렵게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 우주론적 시뮬레이션에서 밀키웨이 유사 은하의 진화에 초신성(SN) 입력률의 불확실성이 미치는 영향을 조사하는 것.
• 즉각적 주입 대비 지연 주입과 같은 초신성 주입률 근사치에서의 단순화된 가정이 시뮬레이션된 은하 성질에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 핵붕괴 초신성의 불확실한 최소 원형질량이 초신성 에너지 예산과 주입 시차에 미치는 역할을 평가하는 것.
• 하위스케일 피드백 파라미터에 대한 실용적 제약 조건을 도출하여 초신성 원형질량 물리학에서 기인하는 불확실성을 제한하는 것.
• 초신성 주입률의 내재된 불확실성이 모델 결과에 미치는 영향을 정량화하여 은하 시뮬레이션의 신뢰성을 향상시키는 것.

제안 방법

• 동일한 하위스케일 피드백 모델과 총 초신성 에너지 예산을 사용하여 밀키웨이 유사 은하의 시뮬레이션을 수행하였다.
• 두 가지 다른 초신성 주입 방식을 비교하였다: 즉각적 주입과 항성 진화 시간스케일에 기반한 물리적으로 타당한 지연시간 분포(DTD).
• 핵붕괴 초신성의 최소 원형질량을 변화시켜 초신성 에너지 예산과 피드백 시차에 미치는 영향을 평가하였다.
• 모든 런에서 별 형성과 피드백의 결합 방식을 일관되게 모델링하여 초신성 주입률의 불확실성을 유일한 변수로 고립하였다.
• 별 형성 역사, 가스 분포, 금속성 등 은하 성질을 시뮬레이션 간 비교하기 위해 추적하고 분석하였다.
• 구조적 및 운동학적 진화의 통계적 분석을 통해 초신성 입력 가정에 기인한 정성적 차이를 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 즉각적 주입 대비 지연 주입을 선택할 경우, 시뮬레이션된 밀키웨이 유사 은하의 진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 핵붕괴 초신성의 최소 원형질량에 대한 불확실성이 초신성 에너지 예산과 피드백 시차에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 초신성 입력률의 변동이 동일한 하위스케일 피드백 모델을 가진 상태에서도 정성적으로 다른 은하 형상과 별 형성 역사를 초래할 수 있는가?
• RQ4 이러한 불확실성이 은하 시뮬레이션 간 비교 가능성과 관측 데이터와의 일치성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 초신성 원형질량 물리학에서 기인하는 불확실성을 최소화하기 위한 하위스케일 피드백 파라미터의 실용적 범위는 무엇인가?

주요 결과

• 별 형성과 초신성 피드백 사이의 지연은 별 형성 클러스터링에 큰 영향을 미치며, 지연 주입은 더 넓고 덜 급격한 별 형성 역사를 초래한다.
• 즉각적 주입 대신 현실적인 지연시간 분포를 사용할 경우, 총 초신성 에너지와 피드백 모델이 동일한 상태에서도 정성적으로 다른 은하 진화 결과를 낳는다.
• 핵붕괴 초신성의 최소 원형질량에 대한 불확실성은 초신성 에너지 예산과 주입 시차에 상당한 영향을 미치며, 이는 전체 은하 진화에 영향을 준다.
• 이러한 불확실성은 표준 하위스케일 피드백 규정에 의해 포괄되지 않는 은하 구조와 별 형성 패tern의 변화를 초래할 수 있다.
• 하위스케일 모델화의 발전에도 불구하고, 초신성 입력률의 이러한 기본적인 불확실성은 피드백 효과를 규명하고 시뮬레이션과 관측 결과를 비교하는 데 있어 주요 장애물로 남아 있다.
• 본 연구는 향후 시뮬레이션에서 초신성 원형질량 물리학에서 기인하는 불확실성을 제한하기 위한 실용적 파라미터 범위를 제공한다.