[论文解读] A thermal-kinetic subgrid model for supernova feedback in simulations of galaxy formation

Evgenii Chaikin, Joop Schaye+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2022

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 4

一句话总结

本论文提出了一种用于星系形成模拟中超新星反馈的热-动能亚网格模型，通过结合高温热能注入与低速动能冲量，抑制虚假的辐射能量损失并提升反馈效率。该模型在不同分辨率尺度下均表现出极佳的收敛性，并准确再现了银河系质量星系和矮星系中的观测到的恒星形成率、速度弥散度及质量载荷因子。

ABSTRACT

We present a subgrid model for supernova feedback designed for cosmological simulations of galaxy formation that may include a cold interstellar medium (ISM). The model uses thermal and kinetic channels of energy injection, which are built upon the stochastic kinetic and thermal models for stellar feedback used in the OWLS and EAGLE simulations, respectively. In the thermal channel, the energy is distributed statistically isotropically and injected stochastically in large amounts per event, which minimizes spurious radiative energy losses. In the kinetic channel, we inject the energy in small portions by kicking gas particles in pairs in opposite directions. The implementation of kinetic feedback is designed to conserve energy, linear and angular momentum, and is statistically isotropic. To test the model, we run simulations of isolated Milky Way-mass and dwarf galaxies, in which the gas is allowed to cool down to 10 K. Using the thermal and kinetic channels together, we obtain smooth star formation histories and powerful galactic winds with realistic mass loading factors. Furthermore, the model produces spatially resolved star formation rates (SFRs) and velocity dispersions that are in agreement with observations. We vary the numerical resolution by several orders of magnitude and find excellent convergence of the global SFRs and wind mass loading. We show that large thermal-energy injections generate a hot phase of the ISM and modulate the star formation by ejecting gas from the disc, while the low-energy kicks increase the turbulent velocity dispersion in the neutral ISM, which in turn helps suppress star formation.

研究动机与目标

• 开发一种亚网格反馈模型，即使在数值分辨率有限的情况下，也能准确再现观测到的星系性质，特别是恒星形成率与星系风。
• 解决纯热反馈模型效率低下的问题，后者在低分辨率模拟中因过度辐射冷却损失而表现不佳。
• 探讨动能反馈（尤其是低速冲量）如何通过增加中性星际介质中的湍流速度弥散度来抑制恒星形成。
• 在多个分辨率层级上实现关键星系观测量的数值收敛，确保宇宙学模拟的鲁棒性。

提出的方法

• 实施一种热反馈通道，通过随机、大尺度、各向同性的能量爆发注入，以最小化辐射能量损失，采用延迟冷却方法。
• 引入一种动能反馈通道，通过成对气体粒子在相反方向上的冲量注入，实现能量、动量和角动量守恒。
• 为两个通道均采用统计各向同性框架，以确保物理真实性，并避免反馈效应中的方向性偏差。
• 通过动能注入比例 $ f_{ m kin} $ 和特征冲量速度 $ riangle v_{ m kick} $ 校准模型，其中 $ f_{ m kin} = 0.1 $ 和 $ riangle v_{ m kick} = 50 $ km s$^{-1} $ 作为基准值。
• 对银河系质量星系和矮星系进行孤立模拟，将气体冷却至 10 K，以测试反馈效能与收敛性。
• 分析空间分辨的恒星形成率、H i 速度弥散度及星风质量载荷因子，与观测数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 结合热-动能反馈模型是否能在不同分辨率下再现孤立星系中观测到的 Kennicutt-Schmidt 恒星形成关系？
• RQ2 热能与动能注入之间的平衡如何影响中性星际介质中的湍流速度弥散度及恒星形成抑制？
• RQ3 为实现恒星形成率与星风质量载荷在不同分辨率尺度下的收敛，$ f_{ m kin} $ 与 $ riangle v_{ m kick} $ 的最优组合是什么？
• RQ4 低能动能冲量在多大程度上能增加湍流速度弥散度并降低局部恒星形成效率，同时不破坏整体星系性质？
• RQ5 热反馈与动能反馈通道在维持真实星系风及抑制致密气体中过冷现象方面如何相互补充？

主要发现

• 热-动能模型产生平滑的恒星形成历史，并生成与观测一致的星系风，其质量载荷因子符合观测结果。
• 该模型在数值分辨率跨越多个数量级时，全局恒星形成率与星风质量载荷均表现出极佳的收敛性。
• 非零但较小的动能比例（$ f_{ m kin} \to 0.1 $）对再现 Kennicutt-Schmidt 关系的正确斜率至关重要；纯热或纯动能模型无法匹配观测结果。
• 低能冲量（$ riangle v_{ m kick} = 50 $ km s$^{-1} $）使中性星际介质中的湍流速度弥散度提高数倍，抑制局部恒星形成，但不降低总恒星形成率。
• 当 $ riangle v_{ m kick} \to 10^2 $ km s$^{-1} $ 时，星系性质（如 SFR 与星风质量载荷）对冲量速度的进一步减小不再敏感，表明已实现收敛。
• 模型的空间分辨 H i 速度弥散度与 Zhou 等（2017）及 Law 等（2022）的观测结果高度一致，尤其在 $ f_{ m kin} = 0.1 $ 和 $ 0.3 $ 时。