[論文レビュー] SIGAME v3: Gas Fragmentation in Post-processing of Cosmological Simulations for More Accurate Infrared Line Emission Modeling

Karen P. Olsen, Blakesley Burkhart+10 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 152被引用数 20

ひとこと要約

この論文では、cosmologicalシミュレーションにおける遠赤外線（FIR）ライン発光のモデリングを向上させるpost-processingフレームワーク、sígame v3を紹介する。sígame v3は、arepoシミュレーションから得られる高解像度の密度確率分布関数（PDF）を用いて、小スケールでのガス分製数をよりよく解像する。これにより、ほとんどのFIRラインについて観測されたライン-SFR関係と良好な一致を示すが、[O I]63とCO(3-2)は、200 pc未満のスケールで解像されない放射線遮へいのため、それぞれ1.3および1.0 dex過剰に推定されている。

ABSTRACT

We present an update to the framework called SImulator of GAlaxy Millimeter/submillimeter Emission (S\'IGAME). S\'IGAME derives line emission in the far-infrared (FIR) for galaxies in particle-based cosmological hydrodynamics simulations by applying radiative transfer and physics recipes via a post-processing step after completion of the simulation. In this version, a new technique is developed to model higher gas densities by parametrizing the gas density probability distribution function (PDF) in higher resolution simulations for use as a look-up table, allowing for more adaptive PDFs than in previous work. S\'IGAME v3 is tested on redshift z = 0 galaxies drawn from the SIMBA cosmological simulation for eight FIR emission lines tracing vastly different interstellar medium phases. Including dust radiative transfer with SKIRT and high resolution photo-ionization models with Cloudy, this new method is able to self-consistently reproduce observed relations between line luminosity and star formation rate in all cases, except for [NII]122, [NII]205 and [OI]63, the luminosities of which are overestimated by median factors of 1.6, 1.2 and 1.2 dex, respectively. We attribute the remaining disagreement with observations to the lack of precise attenuation of the interstellar light on subgrid scales (<200 pc).

研究の動機と目的

• FIRライン発光モデリングに不可欠な高密度ガス構造を正確に解像できないcosmologicalシミュレーションの限界を克服すること。
• arepoシミュレーションから導出された高解像度の密度PDFを統合することで、小スケールでのガス分製数をよりよく捉えるpost-processing発光モデリングを改善すること。
• 解像されない放射線遮へいと密度依存の化学反応を考慮することで、シミュレートされたFIRライン輝度と観測値との乖離を低減すること。
• 異なる質量解像度とシミュレーション体積においてフレームワークの収束性と信頼性を検証し、その堅牢性をテストすること。
• ALMA、SOFIA、JWST、GUSTO、ASTHROSからの現在および将来のFIR観測を解釈するための柔軟で適応可能なツールを提供すること。

提案手法

• cosmologicalシミュレーションから得られる高解像度のarepoシミュレーションを用い、従来の手法よりも高い密度にまで及ぶパラメータ化されたガス密度確率分布関数（PDF）を導出する。
• 導出されたPDFをpost-processingのための照合表（look-up table）として用い、各シミュレーション粒子に対して現実的な高密度ガス状態をサンプリングする。
• SKIRTによるダスト放射線輸送とCloudyによる光子イオン化モデリングを統合し、局所的な密度PDFに従ってCloudyモデルをサンプリングする。
• ユーザー定義の小スケール遮へい関数を実装し、200 pc未満の高密度領域における追加の放射線抑制をモデル化することで、より現実的な表現を実現する。
• nH、SFR密度、NH、FUVフラックス、金属量、DTM比の組み合わせをカバーする259,200個のCloudyワンゾーンモデルのライブラリを構築する。
• z=0におけるsimba cosmologicalシミュレーションを用いて結果を検証し、8つのFIRラインについてシミュレートされたライン輝度を観測されたライン-SFR関係と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 cosmologicalシミュレーションから得られる高解像度の密度PDFが、post-processingにおけるFIRライン発光モデリングの正確性を向上させることができるか？
• RQ2 小スケール遮へいの組み込みが、シミュレートされたFIRライン輝度と観測値との一致にどのように影響するか？
• RQ3 sígame v2と比較して、新しい手法は[O I]63およびCO(3-2)ライン輝度の過剰推定をどの程度低減するか？
• RQ4 小スケール密度分製数にMach 10の等温乱流PDFを用いる標準的手法と比較して、新しい手法の性能はいかがなものか？
• RQ5 simba-100とsimba-25のシミュレーション体積において、異なる質量解像度でこの手法は信頼性高く収束するか？

主な発見

• sígame v3は、[O I]63とCO(3-2)を除き、すべてのFIRラインについて観測されたライン-SFR関係と良好な一致を示す。[O I]63とCO(3-2)は、それぞれ中央値で1.3および1.0 dex過剰に推定されている。
• ユーザー定義の小スケール遮へい関数を適用することで、[O I]63の過剰推定が顕著に低減（約0.5 dex）され、解像されない放射線遮へいが主な誤差要因であることが示された。
• 収束性が確認され、simba-25（より高い質量解像度）の体積では、特に高SFRおよび高金属量の条件下で、simba-100に比べてライン輝度が最大1.5 dex高くなった。
• sígame v2と比較して、新しい手法は[N II]および[O III]88ラインを中央値で1 dex以上も過小推定しており、これは新しいモデルにおけるより現実的なISM構造の反映によるものと推定される。
• 標準的手法（Mach 10の等温乱流PDFを用いる）では、中性および分子相のライン発光（例：CO(1-0)、(2-1)、(3-2)）が3.4–3.9 dex過小推定されており、この手法がこれらの状態に対して不正確であることが浮き彫りになった。
• [C II]–SFR関係は良好に再現されたが、一部の銀河における[C II]の非検出をモデルが説明できないため、イオン化処理のさらなる精錬が求められる。