[论文解读] FIRE-3: Updated Stellar Evolution Models, Yields, & Microphysics and Fitting Functions for Applications in Galaxy Simulations

Philip F. Hopkins, Andrew Wetzel+19 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用 4

一句话总结

本文介绍了FIRE-3，即反馈在真实环境中的星系模拟框架（FIRE）的重大更新，整合了最先进的恒星演化模型、更新的核合成产额以及针对致密冷星际介质的改进微观物理模型。其主要贡献是一套全面的拟合函数，可直接集成到星系模拟中，显著提升了在不同星系环境中对恒星反馈、冷却过程及化学演化的建模精度。

ABSTRACT

Increasingly, uncertainties in predictions from galaxy formation simulations (at sub-Milky Way masses) are dominated by uncertainties in stellar evolution inputs. In this paper, we present the full set of updates from the FIRE-2 version of the Feedback In Realistic Environments (FIRE) project code, to the next version, FIRE-3. While the transition from FIRE-1 to FIRE-2 focused on improving numerical methods, here we update the stellar evolution tracks used to determine stellar feedback inputs, e.g. stellar mass-loss (O/B and AGB), spectra (luminosities and ionization rates), and supernova rates (core-collapse and Ia), as well as detailed mass-dependent yields. We also update the low-temperature cooling and chemistry, to enable improved accuracy at $T \lesssim 10^{4}\,$K and densities $n\gg 1\,{ m cm^{-3}}$, and the meta-galactic ionizing background. All of these synthesize newer empirical constraints on these quantities and updated stellar evolution and yield models from a number of groups, addressing different aspects of stellar evolution. To make the updated models as accessible as possible, we provide fitting functions for all of the relevant updated tracks, yields, etc, in a form specifically designed so they can be directly 'plugged in' to existing galaxy formation simulations. We also summarize the default FIRE-3 implementations of 'optional' physics, including spectrally-resolved cosmic rays and supermassive black hole growth and feedback.

研究动机与目标

• 通过改进恒星反馈输入，解决在亚银河系质量尺度下星系形成模拟中日益增长的不确定性。
• 整合最新的恒星演化、质量损失、光度、电离率和超新星率的实测与理论约束。
• 改进低温冷却与化学模型，以准确模拟致密冷星际介质气体（T ≲ 10⁴ K，n ≫ 1 cm⁻³），提升在金属丰度较低或早期宇宙条件下的建模精度。
• 提供易于访问、即用的拟合函数，用于恒星轨迹、产额和微观物理输入，以促进非FIRE模拟代码的采用。
• 将星系模拟锚定在当前恒星天体物理学的最新水平，同时提升对CO和CII发射等观测诊断指标的预测能力。

提出的方法

• 基于多个研究组的最新模型，更新了恒星演化轨迹，整合了质量依赖的产额以及对O/B星和AGB星质量损失的改进处理。
• 根据更新的星族合成模型和延迟时间分布函数，重新校准了核心坍缩超新星和Ia型超新星的爆发率。
• 改进了低温冷却与化学过程计算，以准确模拟T ≲ 10⁴ K的致密冷星际介质气体在高密度条件下的行为。
• 基于当前的观测约束和理论模型，更新了元宇宙电离背景。
• 开发了一套全新的、稳健的拟合函数，涵盖所有关键的恒星与星际介质物理输入，专为直接集成到星系模拟代码中而设计。
• 提供了可选物理模块的默认实现，包括光谱分辨的宇宙射线和超大质量黑洞的生长与反馈，以支持未来扩展。

实验结果

研究问题

• RQ1 更新的恒星演化模型与产额在多大程度上提升了对亚银河系质量系统的星系模拟预测精度？
• RQ2 改进的低温冷却与化学模型在多大程度上影响了金属丰度较低或早期星系中致密冷星际介质的动力学与热力学行为？
• RQ3 从演化恒星获得的更新超新星率与电离率在多大程度上影响了能量与动量向星际介质的注入？
• RQ4 基于多源合成的拟合函数能否为不同代码与红移下的星系模拟提供可靠、即插即用的输入？
• RQ5 更新的微观物理与产额在多大程度上影响了对CO与CII发射等可观测示踪指标的预测？

主要发现

• FIRE-3模型整合了来自多个近期研究的更新恒星演化与核合成产额，显著提升了反馈输入的物理保真度。
• 冷却与化学过程计算现已可准确模拟至T ≲ 10⁴ K、密度n ≫ 1 cm⁻³，使低金属丰度或早期宇宙环境中冷致密相的建模更加精确。
• 提供了可直接用于星系模拟的恒星演化、产额与微观物理的拟合函数，显著降低了外部代码的实现门槛。
• 更新的模型减少了恒星反馈输入中的不确定性，而这些不确定性曾是亚银河系质量星系模拟中主要的不确定来源。
• 这些新的拟合函数为文献中首次提出，经过严格验证，避免了错误外推，确保在整个感兴趣动态范围内的鲁棒性。
• 更新的模型提升了对CO与CII发射等可观测诊断指标的预测能力，以及对星系中恒星丰度分布的详细预测。