[论文解读] Below the subgrid: uncertainties in supernova input rates drive qualitative differences in simulations of galaxy evolution

Ben Keller, J. M. Diederik Kruijssen|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2020

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 9

一句话总结

本研究表明，即使在恒定的亚网格反馈模型和总能量预算下，超新星（SN）输入速率中的不确定性——尤其是原行星质量阈值和延迟时间分布——也会在银河系类模拟中导致定性不同的星系演化结果。这些不确定性显著改变了恒星形成聚类和星系结构，挑战了模型的可比性和观测验证。

ABSTRACT

Feedback from core collapse supernovae (SNe), the final stage of evolution of the most massive stars, has long been a key element in simulations of galaxy formation. In this paper, we examine how simplifying assumptions made in approximating the SN rates along with underlying physical uncertainty in those rates can lead to large variations in the overall evolution of simulated Milky Way-like galaxies. We find that the clustering of star formation is strongly impacted by the delay between star formation and SN feedback. In addition, the choice to use a realistic delay time distribution or instantaneous injection for SN can have a significant impact on the galaxy. These effects appear even when identical sub-grid models are used for coupling SN energy and momentum, and the total SN energy budget is kept constant. In addition, we show that the uncertain minimum SN progenitor mass has a significant impact on the SN energy budget and injection timescale, and can completely change the overall evolution of the galaxy. These underlying uncertainties mean that despite advances in the sub-grid modelling of SN feedback, there are still serious difficulties in constraining the effects of SN feedback. This complicates the task of comparing different simulations to each other, as well as comparing simulations to observations. We conclude by providing practical limits on the parameters of subgrid models for SN feedback, which bound the uncertainty arising from SN progenitor physics for future predictions from galaxy simulations.

研究动机与目标

• 研究超新星（SN）输入速率中的不确定性如何影响宇宙学模拟中银河系类星系的演化。
• 评估在超新星速率近似中简化假设的影响，例如瞬时注入与延迟注入，对模拟星系性质的影响。
• 评估核心坍缩超新星最小原行星质量的不确定性在塑造超新星能量预算和注入 timescale 中的作用。
• 识别限制来自超新星原行星物理不确定性的亚网格反馈参数的实际约束。
• 通过量化内在超新星速率不确定性对模型结果的影响，提高星系模拟的可靠性。

提出的方法

• 使用相同的亚网格反馈模型和总超新星能量预算，对银河系类星系进行了模拟。
• 比较了两种不同的超新星注入方案：瞬时注入与基于恒星演化 timescales 的物理驱动延迟时间分布（DTD）。
• 通过改变核心坍缩超新星的最小原行星质量，评估其对超新星能量预算和反馈时间的影响。
• 在所有模拟中一致地建模恒星形成与反馈的耦合，将超新星速率不确定性作为主要变量。
• 追踪并比较了星系性质，如恒星形成历史、气体分布和金属度。
• 通过结构和运动学演化的统计分析，识别由超新星输入假设引发的定性差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在瞬时与延迟超新星注入之间进行选择，如何影响模拟的银河系类星系的演化？
• RQ2 核心坍缩超新星最小原行星质量的不确定性在多大程度上改变了超新星能量预算和反馈时间？
• RQ3 即使亚网格反馈模型完全相同，超新星输入速率的变化是否会导致定性不同的星系形态和恒星形成历史？
• RQ4 这些不确定性如何影响星系模拟的可比性及其与观测数据的一致性？
• RQ5 有哪些实际的亚网格反馈参数边界可以最小化来自超新星原行星物理的不确定性？

主要发现

• 恒星形成与超新星反馈之间的延迟显著影响恒星形成聚类，延迟注入导致更广泛且爆发性更弱的恒星形成历史。
• 即使总超新星能量和反馈模型完全相同，使用真实的延迟时间分布而非瞬时注入，也会产生定性不同的星系演化结果。
• 核心坍缩超新星最小原行星质量的不确定性对超新星能量预算和注入 timescale 有重大影响，从而改变整体星系演化。
• 这些不确定性可导致星系结构和恒星形成模式发生改变，而这些变化无法被标准的亚网格反馈方案捕捉。
• 尽管亚网格建模有所进展，但超新星输入速率中的这些基本不确定性仍是约束反馈效应和将模拟与观测对比的主要障碍。
• 本研究为亚网格反馈模型提供了实用的参数边界，可限制未来模拟中超新星原行星物理引起的不确定性。