[논문 리뷰] Tests of subgrid models for star formation using simulations of isolated disk galaxies

Folkert S J Nobels, Joop Schaye외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 24.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고립된 은하질량의 은하에 대한 스무딩된 입자 유체역학(SPH) 시뮬레이션에서 미세구조 별 형성 모델을 시험하며, 자유낙하 시간당 1%의 별 형성 효율과 함께 샤르드 법칙과 중력 불안정성 조건을 조합한 기준 모델이 관측된 케니쿠트-스미스 관계를 가장 잘 재현함을 발견한다. 이 모델은 질량 해상도가 네 계단 차수에 걸쳐 수치적 수렴성을 보이며, 밀도 임계값과 온도 상한선보다 우수한 성능을 보이며, 특히 저중성도 환경에서 두각을 나타낸다.

ABSTRACT

We use smoothed-particle hydrodynamics simulations of isolated Milky Way-mass disk galaxies that include cold, interstellar gas to test subgrid prescriptions for star formation (SF). Our fiducial model combines a Schmidt law with a gravitational instability criterion, but we also test density thresholds and temperature ceilings. While SF histories are insensitive to the prescription for SF, the Kennicutt-Schmidt (KS) relations between SF rate and gas surface density can discriminate between models. We show that our fiducial model, with an SF efficiency per free-fall time of 1 per cent, agrees with spatially-resolved and azimuthally-averaged observed KS relations for neutral, atomic and molecular gas. Density thresholds do not perform as well. While temperature ceilings selecting cold, molecular gas can match the data for galaxies with solar metallicity, they are unsuitable for very low-metallicity gas and hence for cosmological simulations. We argue that SF criteria should be applied at the resolution limit rather than at a fixed physical scale, which means that we should aim for numerical convergence of observables rather than of the properties of gas labelled as star-forming. Our fiducial model yields good convergence when the mass resolution is varied by nearly 4 orders of magnitude, with the exception of the spatially-resolved molecular KS relation at low surface densities. For the gravitational instability criterion, we quantify the impact on the KS relations of gravitational softening, the SF efficiency, and the strength of supernova feedback, as well as of observable parameters such as the inclusion of ionized gas, the averaging scale, and the metallicity.

연구 동기 및 목표

• 고립된 디스크 은하 시뮬레이션에서 다양한 미세구조 별 형성 조건의 성능을 평가하기 위해.
• 밀도 임계값, 온도 상한선, 또는 중력 불안정성 중 어느 기준이 관측된 케니쿠트-스미스(KS) 관계를 가장 잘 재현하는지 규명하기 위해.
• 다양한 질량 해상도와 물리적 매개변수 하에서 별 형성 관측량의 수치적 수렴성을 평가하기 위해.
• 별 형성 조건을 고정된 물리 척도가 아닌 해상도 한계에서 적용해야 하는지 여부를 규명하기 위해.

제안 방법

• 냉각된 간성가스와 기준 미세구조 모델(샤르드 법칙과 중력 불안정성 조건을 조합)을 사용한 스무딩된 입자 유체역학(SPH)을 이용해 고립된 은하질량의 디스크 은하를 시뮬레이션한다.
• 다른 대안적 조건을 시험: 밀도 임계값(n_H,crit), 온도 상한선(T_crit), 그리고 중력 불안정성 조건을 사용하여 α_crit = 1.5 × (1 + 0.5 × (T/T_cold)²) × (n_H / n_crit)⁻¹ 기준을 적용한다.
• 자유낙하 시간당 별 형성 효율(ε)을 0.1%에서 1000%로 변화시켜 별 형성률(SFR)과 KS 관계에 미치는 영향을 평가한다.
• 초신성 피드백 강도를 32배로 조정하여 SF 역사와 KS 정규화에 미치는 영향을 평가한다.
• 중력 연화 길이를 50에서 800 pc로, 질량 해상도를 4096배로 변화시켜 수치적 수렴성을 시험한다.
• 중성기, 원자성 기, 분자성 기에 대한 시뮬레이션된 KS 관계를 공간적으로 해상도가 높은 관측 데이터와 각도 평균화된 관측 데이터와 비교한다.

Figure 1: The gravitational instability criterion in temperature-density space for different velocity dispersions (solid lines, different colours; gas at higher densities or lower temperatures is unstable) and different resolutions and/or normalisations (two sets of lines labelled with different val

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고립된 디스크 은하에서 밀도 임계값, 온도 상한선, 또는 중력 불안정성 중 어느 미세구조 별 형성 조건이 관측된 케니쿠트-스미스 관계를 가장 잘 재현하는가?
• RQ2 자유낙하 시간당 별 형성 효율이 케니쿠트-스미스 관계의 정규화 및 끊어짐에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 다양한 질량 해상도와 중력 연화 길이 하에서 별 형성 역사와 KS 관계의 수치적 수렴 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 해상도 한계에서 별 형성 조건을 적용할 경우, 해상도에 따라 스케일링하는 것보다 더 나은 수렴성을 얻을 수 있는가?
• RQ5 피드백 강도와 중성도가 우주론적 맥락에서 다양한 미세구조 모델의 강건성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 기준 모델—자유낙하 시간당 1%의 별 형성 효율과 함께 샤르드 법칙과 중력 불안정성 조건을 조합한 것—중성기, 원자성 기, 분자성 기에 대해 관측된 공간적으로 해상도가 높은 및 각도 평균화된 케니쿠트-스미스 관계를 가장 잘 재현한다.
• 밀도 임계값과 온도 상한선은 특히 저중성도에서 냉각되고 거의 중성도가 없는 기체가 해상도가 낮아 별 형성이 불가능해지므로 관측된 KS 관계를 재현하지 못한다.
• 중력 불안정성 조건은 질량 해상도가 네 계단 차수에 걸쳐 양호한 수치적 수렴성을 보이며, 낮은 표면 밀도에서 분자 KS 관계를 제외한 모든 영역에서 성능이 우수하다.
• 중력 연화 길이를 50에서 800 pc로 변화시키는 것은 KS 관계에 거의 영향을 주지 않지만, 높은 표면 밀도에서 기체 소비 시간이 약간 증가한다.
• 고정된 α_crit 값이 해상도에 따라 스케일링되는 α_crit보다 KS 관계에서 더 양호한 수렴성을 보이며, 해상도 한계 기반 조건의 사용을 지지한다.
• 관측 결과와의 비교를 통해 자유낙하 시간당 별 형성 효율은 약 1%로 제약을 받는다. 이는 높거나 낮은 값이 KS 관계의 정규화와 끊어짐을 파괴하기 때문이다.

Figure 2: The fiducial simulation with $Z=Z_{\odot}$ at $t=1~{}\rm Gyr$ . Top two rows: Edge-on and face-on gas surface density for the total gas (left column), atomic hydrogen (middle column) and molecular hydrogen (right column). Third row: Face-on view of the mass-weighted temperature (left), mas