[논문 리뷰] FIRE-3: Updated Stellar Evolution Models, Yields, & Microphysics and Fitting Functions for Applications in Galaxy Simulations

Philip F. Hopkins, Andrew Wetzel외 19명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 28.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 피드백이 현실적인 환경(FIRE) 은하 시뮬레이션 프레임워크의 주요 업데이트인 FIRE-3을 제시한다. 이는 최신의 별 진화 모델, 업데이트된 핵종합 생성율, 그리고 밀도가 높고 온도가 낮은 간성간 매질에 대한 향상된 미세물리학을 포함한다. 주요 기여는 은하 시뮬레이션에 직접 통합이 가능한 포괄적인 피팅 함수 세트를 제공하여, 다양한 은하 환경에서 별 피드백, 냉각, 화학 진화 모델링의 정확도를 크게 향상시키는 것이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 소밀키웨이 질량 이하의 은하 형성 시뮬레이션에서 증가하는 불확실성을 줄이기 위해 별 피드백 입력을 향상시키기 위해.
• 최근의 관측 및 이론적 제약 조건을 반영하여 별 진화, 질량 손실, 빛의 세기, 이온화 비율, 초신성 발생률에 대한 통합을 위해.
• 금속 농도가 낮거나 초기 우주 조건에서 정확도를 높이기 위해 밀도가 높고 온도가 낮은 간성간 매질 기체(T ≲ 10⁴ K, n ≫ 1 cm⁻³)의 저온 냉각 및 화학 모델을 향상시키기 위해.
• 비-FIRE 시뮬레이션에 쉽게 통합할 수 있도록 별 궤적, 생성율, 미세물리학을 위한 접근성 있고 즉시 사용 가능한 피팅 함수를 제공하기 위해.
• 현재의 별 천체물리학의 상태에 기반하여 은하 시뮬레이션을 기반으로 하되, CO 및 CII 방출과 같은 관측 진단법에 대한 향상된 예측 능력을 제공하기 위해.

제안 방법

• 다양한 연구 그룹의 최근 모델을 기반으로 한 업데이트된 별 진화 궤적을 사용하여 질량에 따라 달라지는 생성율과 O/B 및 AGB 질량 손실에 대한 향상된 처리 방식을 통합하였다.
• 최신의 은하계 인구 합성 및 지연시간 분포 함수를 기반으로 한 업데이트된 초신성 발생률(핵붕괴 및 Ia형)을 재검토하였다.
• T ≲ 10⁴ K 및 고밀도 조건에서 밀도가 높고 온도가 낮은 간성간 매질 기체를 정확하게 모델링하기 위해 저온 냉각 및 화학 루틴을 향상시켰다.
• 최근의 관측 제약 조건과 이론적 모델을 기반으로 메타-은하 이온화 배경을 업데이트하였다.
• 모든 주요 별 및 간성간 매질 물리 입력에 대해 직접 은하 시뮬레이션 코드에 통합 가능한 새로운 강력한 피팅 함수 세트를 개발하였다.
• 향후 확장성을 고려하여 선택적 물리 현상, 예를 들어 스펙트럼 해상도를 가진 간성간 우주선 및 초거대 블랙홀 성장 및 피드백에 대한 기본 실행 구현을 제공하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 업데이트된 별 진화 모델과 생성율은 소밀키웨이 질량 이하의 시스템에 대한 은하 시뮬레이션 예측 정확도에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 향상된 저온 냉각 및 화학 모델은 금속 농도가 낮거나 초기 은하에서 밀도가 높고 온도가 낮은 간성간 매질의 역학 및 열역학적 거동에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ3 진화한 별에서 유도된 업데이트된 초신성 발생률과 이온화 비율은 간성간 매질에 에너지 및 운동량 주입에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 다양한 소스에서 유도된 합성 피팅 함수는 다양한 코드 및 적색편이 범위에서 은하 시뮬레이션에 신뢰할 수 있고 즉시 사용 가능한 입력 자료로 기능할 수 있는가?
• RQ5 업데이트된 미세물리학과 생성율은 CO 및 CII 방출과 같은 관측 가능한 추적자에 대한 예측에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• FIRE-3 모델은 최근 여러 연구에서 유도된 업데이트된 별 진화 및 핵종합 생성율을 통합하여 피드백 입력의 물리적 사실성에 상당한 향상을 이루었다.
• 냉각 및 화학 루틴은 이제 T ≲ 10⁴ K 및 밀도 n ≫ 1 cm⁻³ 조건까지 정확하게 작동하여 금속 농도가 낮거나 초기 우주 환경에서 차가우며 밀도가 높은 상황을 더 잘 모델링할 수 있게 되었다.
• 별 궤적, 생성율, 미세물리학에 대한 피팅 함수는 은하 시뮬레이션에 직접 사용 가능한 형태로 제공되어 외부 코드의 구현 장벽을 감소시켰다.
• 업데이트된 모델은 이전에 소밀키웨이 은하 시뮬레이션에서 주요한 불확실성 원인이었던 별 피드백 입력의 불확실성을 감소시켰다.
• 새로운 피팅 함수는 문헌에서 처음으로 제시되었으며, 잘못된 외삽을 방지하기 위해 철저히 검토되어 관심 있는 전체 동적 범위에서 강력한 성능을 보였다.
• 업데이트된 모델은 CO 및 CII 방출과 같은 관측 진단법에 대한 향상된 예측 능력을 제공할 뿐 아니라 은하 내 별의 상세한 원소 농도 패턴 예측에도 기여한다.