[论文解读] Cosmic Dawn II (CoDa II): a new radiation-hydrodynamics simulation of the self-consistent coupling of galaxy formation and reionization

Pierre Ocvirk, Dominique Aubert+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 102被引用 2

一句话总结

宇宙黎明II世（CoDa II）利用94 Mpc的盒子、4096³个粒子和网格单元，对从红移z ≈ 10到z < 6的星系形成与宇宙再电离过程进行了大规模、自洽的辐射流体动力学模拟。与CoDa I相比，CoDa II通过重新校准亚网格恒星形成模型，将再电离过程提前至z ≳ 6，并成功匹配了观测到的莱曼-α光学厚度与宇宙微波背景光学深度，同时预测的紫外光度函数与高红移观测一致，表明银河系与仙女座星系作为独立的岛屿在孤立中完成再电离。

ABSTRACT

Cosmic Dawn II (CoDa II) is a new, fully-coupled radiation-hydrodynamics simulation of cosmic reionization and galaxy formation and their mutual impact, to redshift $z < 6$. With $4096^3$ particles and cells in a 94 Mpc box, it is large enough to model global reionization and its feedback on galaxy formation while resolving all haloes above $10^8$ M$_{\odot}$. Using the same hybrid CPU-GPU code RAMSES-CUDATON as CoDa I in Ocvirk et al. (2016), CoDa II modified and re-calibrated the subgrid star-formation algorithm, making reionization end earlier, at $z \gtrsim 6$, thereby better matching the observations of intergalactic Lyman-alpha opacity from quasar spectra and electron-scattering optical depth from cosmic microwave background fluctuations. CoDa II predicts a UV continuum luminosity function in good agreement with observations of high-z galaxies, especially at $z = 6$. As in CoDa I, reionization feedback suppresses star formation in haloes below $\sim 2 imes 10^9$ M$_{\odot}$, though suppression here is less severe, a possible consequence of modifying the star-formation algorithm. Suppression is environment-dependent, occurring earlier (later) in overdense (underdense) regions, in response to their local reionization times. Using a constrained realization of $\Lambda$CDM constructed from galaxy survey data to reproduce the large-scale structure and major objects of the present-day Local Universe, CoDa II serves to model both global and local reionization. In CoDa II, the Milky Way and M31 appear as individual islands of reionization, i.e. they were not reionized by the progenitor of the Virgo cluster, nor by nearby groups, nor by each other.

研究动机与目标

• 在大尺度宇宙学体积中，对星系形成与宇宙再电离进行自洽耦合建模。
• 通过重新校准亚网格物理模型，改进先前模拟，以更好地匹配再电离过程的观测约束。
• 研究再电离的环境依赖性及其对低质量星系形成的影响。
• 利用受约束的初始条件，模拟本星系群（包括银河系与仙女座星系）的再电离历史。

提出的方法

• 模拟使用混合CPU-GPU代码RAMSES-CUDATON，在94 Mpc的共动体积中求解引力、流体动力学与辐射转移。
• 采用经过校准的改进型亚网格恒星形成算法，以重现z ≳ 6时更早的再电离过程。
• 通过频率平均的多频段方法求解辐射转移，以模拟恒星发出的电离辐射。
• 初始条件基于本地星系巡天数据进行约束，以重现现今本星系群的大尺度结构与主要天体。
• 模拟能够解析所有质量高于10⁸ M⊙的晕，并以高空间与时间分辨率追踪星际介质的电离状态。
• 在8个星等范围内计算紫外光度函数，并生成再电离图以可视化整个体积中电离过程的时间演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大规模模拟中，重新校准亚网格恒星形成模型如何影响宇宙再电离的时序与形态？
• RQ2 再电离反馈在多大程度上抑制低质量晕（M < 2 × 10⁹ M⊙）中的恒星形成？这种抑制作用在不同环境中如何变化？
• RQ3 该模拟能否重现观测到的星际介质莱曼-α光学厚度与宇宙微波背景电子散射光学深度？
• RQ4 银河系与仙女座星系是否作为孤立的再电离岛屿完成再电离，还是受到室女座星系团等附近大尺度结构的影响？
• RQ5 在z = 6时，预测的紫外光度函数与当前高红移星系的观测数据匹配程度如何？

主要发现

• 在CoDa II中，再电离在z ≳ 6时结束，与类星体光谱和宇宙微波背景的约束一致，优于早期的CoDa I模拟。
• CoDa II中的紫外连续谱光度函数在z = 6时与观测数据匹配，尤其在较暗星等区域表现良好。
• 再电离反馈抑制了质量低于∼2 × 10⁹ M⊙的晕中的恒星形成，但由于重新校准的恒星形成模型，其抑制程度弱于CoDa I。
• 位于高密度区域的星系比低密度区域的星系更早停止恒星形成，反映了局部再电离的时间差异。
• 银河系与仙女座星系被识别为独立的再电离岛屿，表明它们未受室女座星系团、邻近星系群或彼此的影响而完成再电离。
• 模拟显示，电离紫外背景在低质量处使恒星形成率-晕质量关系发生显著陡化，且该效应与辐射反馈有稳固关联。