[논문 리뷰] Public data release of the FIRE-2 cosmological zoom-in simulations of galaxy formation

Andrew Wetzel, Christopher C. Hayward외 24명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 14.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 은하 형성에 대해 별의 복사압력, 가스 물리, 별 형성 등을 명시적으로 모델링한 파스퇴르 스케일 해상도(파스퇴르 스케일)의 우주론적 줌인 시뮬레이션인 FIRE-2의 최초 공개 데이터 릴리스를 제시한다. 릴리스에는 20개의 은하형질의 밀키웨이 질량 이하 은하에 대해 z=0–10 범위의 39개 스크래치, 4개의 거대 은하에 대해 19개 스크래치, 22개의 고적색도 시스템에 대해 11개 스크래치가 포함되어 있으며, 전체 입자 데이터, 허블 카탈로그, 별 입자 및 별의 흐름을 추적하기 위한 도구가 포함되어 있다.

ABSTRACT

We describe a public data release of the FIRE-2 cosmological zoom-in simulations of galaxy formation, available at http://flathub.flatironinstitute.org/fire, from the Feedback In Realistic Environments (FIRE) project. FIRE-2 simulations achieve parsec-scale resolution to explicitly model the multi-phase interstellar medium while implementing direct models for stellar evolution and feedback, including stellar winds, core-collapse and Ia supernovae, radiation pressure, photoionization, and photoelectric heating. We release complete snapshots from 3 suites of simulations. The first comprises 20 simulations that zoom in on 14 Milky Way-mass galaxies, 5 SMC/LMC-mass galaxies, and 4 lower-mass galaxies including 1 ultra-faint; we release 39 snapshots across z = 0 - 10. The second comprises 4 massive galaxies, with 19 snapshots across z = 1 - 10. Finally, a high-redshift suite comprises 22 simulations, with 11 snapshots across z = 5 - 10. Each simulation also includes dozens of resolved lower-mass (satellite) galaxies in its zoom-in region. Snapshots include all stored properties for all dark matter, gas, and star particles, including 11 elemental abundances for stars and gas, and formation times (ages) of star particles. We also release accompanying (sub)halo catalogs, which include galaxy properties and member star particles. For the simulations to z = 0, including all Milky Way-mass galaxies, we release the formation coordinates and an "ex-situ" flag for all star particles, pointers to track particles across snapshots, catalogs of stellar streams, and multipole basis expansions for the halo mass distributions. We describe publicly available python packages for reading and analyzing these simulations.

연구 동기 및 목표

• 물리적으로 자율적인 피드백 모델을 갖춘 고해상도 우주론적 시뮬레이션을 공개하여 은하 형성 분야에서 개방적이고 재현 가능한 연구를 가능하게 하기 위해.
• 별 형성 역사를 포함한 원소 농도 및 형성 좌표와 같은 세부 입자 데이터에 대한 천문학 공동체의 접근 권한을 제공하기 위해.
• 은하 집합체 형성, 별의 허브 형성, 피드백 효과를 연구할 수 있도록, 밀키웨이 질량의 은하에 대해 별의 흐름 카탈로그와 허블 질량 분포의 다항식 기반 전개를 제공하기 위해.
• 고적색도 및 저질량 은하의 진화 분석을 지원하기 위해 22개의 고적색도 시뮬레이션 전용 세트를 제공하기 위해.
• 스케일이 가능한 액세스와 향후 FIRE-2 데이터셋의 확장을 가능하게 하는 FlatHUB 기반의 지속 가능한 데이터 인프라를 구축하기 위해.

제안 방법

• 파스퇴르 스케일 해상도에서 다상태성 간성 매질을 해결하기 위해 적응 메쉬 리파인먼트와 입자 기반 유체역학을 사용한 GIZMO 코드를 이용한 우주론적 줌인 시뮬레이션 수행.
• 별의 바람, 핵붕괴 및 Ia형 초신성, 복사압력, 광이온화 및 광전열 힘을 포함한 종합적인 피드백 모델 구현.
• 포인터 인덱스를 사용해 스크래치 간 별 입자를 추적하고, 형성 적색도와 위치를 저장하여 입자 기원을 역추적할 수 있도록 하기.
• 모든 별 입자에 대해 11종의 원소 농도와 형성 시간을 포함한 전체 입자 데이터(암흑물질, 가스, 별)를 제공.
• 은하 성질과 구성 입자 목록을 포함한 (하)은하 카탈로그를 생성하고, 내재형 대비 유입형 별을 구분하기 위한 외재형 플래그를 포함.
• 밀키웨이 질량의 은하에 대해 허블 질량 분포의 다항식 기반 전개와 별의 흐름 카탈로그를 제공하여 질량 집합체 형성과 tidal 분열을 모델링할 수 있도록 하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 명시적인 피드백 모델이 포함된 고해상도 시뮬레이션은 우주의 시간에 따라 밀키웨이 질량의 은하의 구조적 및 화학적 성질을 어떻게 재현하는가?
• RQ2 거대 은하의 별 허브에 내재형 대비 외재형 별 형성의 기여는 어떠한가?
• RQ3 저질량 및 초저광도 은하의 별들이 고적색도에서 관측된 성질과 비교해 보면 어떻게 되는가?
• RQ4 모의된 별의 흐름과 허블 질량 분포가 밀키웨이 은하 및 M31에서 관측된 특징과 얼마나 일치하는가?
• RQ5 FIRE-2에서 모의된 피드백 과정은 분해능이 확보된 별 형성 영역과 다상태성 간성 매질 형성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• FIRE-2 시뮬레이션은 파스퇴르 스케일 공간 해상도를 달성하여 고립 및 상호작용 은하에서 다상태성 간성 매질을 명시적으로 모델링할 수 있다.
• 20개의 밀키웨이 질량 이하 은하에 대해 z=0–10 범위의 39개 스크래치를 포함하며, 모든 별에 대해 전체 입자 데이터와 형성 역사를 포함한다.
• 모든 z=0까지 시뮬레이션된 밀키웨이 질량의 은하에 대해 형성 좌표, 외재형 플래그, 스크래치 간 별 입자를 추적하기 위한 포인터 인덱스를 제공한다.
• 모든 MW/M31 질량의 은하에 대해 별의 흐름 카탈로그와 허블 질량 분포의 다항식 기반 전개를 제공하여 유입 역사에 대한 세밀한 모델링이 가능하다.
• 우주 이른 시기의 초기 은하 형성과 피드백을 연구할 수 있도록, 22개의 고적색도 은하(z=5–10)에 대해 11개 스크래치를 포함한다.
• 각 줌인 영역에 수십 개의 해저드된 위성 은하가 포함되어 있어 위성 유입 및 타이드 분열에 대한 세밀한 연구가 가능하다.