[論文レビュー] Public data release of the FIRE-2 cosmological zoom-in simulations of galaxy formation

Andrew Wetzel, Christopher C. Hayward+24 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、FIRE-2宇宙論的ズームインシミュレーションの初の公開データリリースを提示する。高解像度（パーセクスケール）の銀河形成シミュレーションを提供し、星間物質のフィードバック、ガス力学、星形成を明示的にモデル化している。リリースには、20個のミルキーウェイ質量未満の銀河についてz=0–10の39スナップショット、4つの質量の大きな銀河について19スナップショット、22個の中高赤方偏移銀河について11スナップショットが含まれ、全粒子データ、ハローキャタログ、星粒子および星流の追跡に役立つツールが含まれる。

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.

研究の動機と目的

• 物理的に自己整合的なフィードバックモデルを備えた高解像度の宇宙論的シミュレーションを公開することで、銀河形成分野におけるオープンかつ再現可能な研究を可能にする。
• 星形成歴、元素組成、形成座標を含む、詳細な粒子データへの天文学コミュニティのアクセスを提供する。
• 星流およびハロー質量分布の多重極展開のカタログを公開することで、銀河の集積、星族ハロー形成、フィードバック効果の研究を支援する。
• 22個の中高赤方偏移シミュレーションを専用に用意することで、高赤方偏移および低質量銀河の進化に関する分析を容易にする。
• FlatHUBを活用した持続可能なデータインfra構築により、FIRE-2データセットのスケーラブルなアクセスと将来的な拡張を実現する。

提案手法

• 適応メッシュリファインメントと粒子ベースの流体力学を用いたGIZMOコードを用いて、パーセクスケール解像度で多重相の星間媒体を解像する宇宙論的ズームインシミュレーションを実施する。
• 星風、超新星爆発（コアコラプス型およびIa型）、放射圧、光イオン化、光電離加熱を含む包括的なフィードバックモデルを実装する。
• ポインタインデックスを用いてスナップショット間での星粒子の追跡を行い、形成赤方偏移および位置を保存することで、粒子の起源を逆算可能にする。
• 全粒子データ（ダークマター、ガス、星）をリリースし、全星粒子に対して11種の元素組成と形成時刻を含む。
• 銀河の性質とメンバー粒子リストを含む（準）ハロー・カタログを生成し、イン・サイト（内発）と外部からの吸着（アキュレーテッド）星を区別するためのex-situフラグを含む。
• ミルキーウェイ質量銀河のためのハロー質量分布の多重極基底展開と星流カタログを提供し、質量集積のモデル化および潮汐破壊の解析を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 明示的なフィードバックを含む高解像度シミュレーションは、宇宙時間にわたってミルキーウェイ質量銀河の構造的および化学的性質をどれほど正確に再現できるか？
• RQ2 質量の大きな銀河の星族ハローに、イン・サイトとアキュレーテッド星形成がそれぞれどの程度寄与しているか？
• RQ3 低質量および超微弱銀河の星の運動学的および化学的性質は、高赤方偏移での観測結果とどのように一致するか？
• RQ4 FIRE-2でモデル化された星流およびハロー質量分布は、ミルキーウェイおよびM31の観測された特徴とどの程度一致するか？
• RQ5 FIRE-2でモデル化されたフィードバック過程は、解像された星形成領域および多重相の星間媒体の形成にどのように影響を与えるか？

主な発見

• FIRE-2シミュレーションはパーセクスケールの空間解像度を達成し、孤立および相互作用する銀河における多重相の星間媒体の明示的モデル化を可能にする。
• 20個のミルキーウェイ質量未満の銀河についてz=0–10の39スナップショットが含まれ、全粒子データおよび全星の形成歴が提供される。
• z=0までシミュレートされた全ミルキーウェイ質量銀河について、形成座標、ex-situフラグ、およびスナップショット間での星粒子の追跡に使用可能なポインタインデックスがリリースされる。
• ミルキーウェイ／M31質量銀河すべてについて星流カタログおよびハロー質量分布の多重極展開が提供され、吸着歴の詳細なモデリングが可能になる。
• 22個の中高赤方偏移銀河（z=5–10）について11スナップショットがリリースされ、宇宙の夜明けにおける初期銀河形成およびフィードバックの研究が可能になる。
• 各ズームイン領域に数十個の解像された衛星銀河が含まれており、衛星の吸着および潮汐破壊の詳細な研究が可能になる。