[论文解读] PRISM: A Non-Equilibrium, Multiphase Interstellar Medium Model for Radiation Hydrodynamics Simulations of Galaxies

Harley Katz, Shenghua Liu+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2022

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 6

一句话总结

PRISM 是一种非平衡态、多相星际介质模型，将包含 115 种物种的化学网络与 RAMSES-RTZ 代码中的实时多频段辐射传输相耦合。该模型准确捕捉了在广泛金属丰度范围内的关键冷却与加热过程，并揭示非平衡效应可导致电子数密度偏离平衡值三倍以上，显著影响星际介质热力学及可观测发射线。

ABSTRACT

We introduce the PRISM interstellar medium (ISM) model for thermochemistry and its implementation in the RAMSES-RTZ code. The model includes a non-equilibrium primordial, metal, and molecular chemistry network for 115 species coupled to on-the-fly multifrequency radiation transport. PRISM accurately accounts for the dominant ISM cooling and heating processes in the low-density regime (i.e. $ρ<10^5\ { m cm^{-3}}$), including photoheating, photoelectric heating, H$_2$ heating/cooling, cosmic-ray heating, H/He cooling, metal-line cooling, CO cooling, and dust cooling (recombination and gas-grain collisions). We validate the model by comparing 1D equilibrium simulations across six dex in metallicity to existing 1D ISM models in the literature. We apply PRISM to high-resolution (4.5 pc) isolated dwarf galaxy simulations that include state-of-the-art models for star formation and stellar feedback to take an inventory of which cooling and heating processes dominate each different gas phase of a galaxy and to understand the importance of non-equilibrium effects. We show that most of the ISM gas is either close to thermal equilibrium or exhibits a slight cooling instability, while from a chemical perspective, the non-equilibrium electron fraction is often more than three times higher or lower than the equilibrium value, which impacts cooling, heating, and observable emission lines. Electron enhancements are attributed to recombination lags while deficits are shown to be due to rapid cosmic-ray heating. The PRISM model and its coupling to RAMSES-RTZ is applicable to a wide variety of astrophysical scenarios, from cosmological simulations to isolated giant molecular clouds, and is particularly useful for understanding how changes to ISM physics impact observable quantities such as metallic emission lines.

研究动机与目标

• 开发一种物理上精确的非平衡星际介质模型，以捕捉星系中化学、辐射与热力学之间复杂的耦合关系。
• 通过实现包含自洽辐射与化学的 3D、时变模拟，克服 1D 平衡模型的局限性。
• 量化非平衡效应（特别是对电子数密度的影响）对星际介质冷却、加热及可观测发射线的影响。
• 在金属丰度跨度达六个数量级的范围内，将模型与既有的 1D 平衡星际介质模型进行验证。
• 将模型应用于高分辨率孤立矮星系模拟，评估不同气体相中冷却与加热过程的主导机制。

提出的方法

• 实现包含 115 种物种的非平衡原初物质、金属与分子化学网络，涵盖 H2、CO 和金属离子等。
• 将化学网络与 RAMSES-RTZ 代码中的实时多频段辐射传输相耦合，实现辐射场与气体状态之间的自洽反馈。
• 包含关键星际介质过程：光致加热、光电致加热、H2 加热/冷却、宇宙射线加热、H/He 冷却、金属线冷却、CO 冷却，以及通过复合与气-尘碰撞实现的尘埃冷却。
• 采用 CLOUDY 校准的精细结构碰撞速率，实现对多种碰撞伙伴（H、H+、H2、e−、He 等）的精确冷却计算。
• 在金属丰度跨度达六个数量级的范围内，与文献模型（Koyama & Inutsuka 2000；Wolfire et al. 2003；Bialy & Sternberg 2019；Kim et al. 2022）进行 1D 平衡基准测试。
• 将模型应用于包含恒星形成与恒星反馈的 3D、高分辨率（4.5 pc）孤立矮星系模拟（G8 与 G9），研究各相态的加热/冷却特性与非平衡动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 在星系尺度模拟中，电子数密度的非平衡效应如何影响星际介质热力学及冷却/加热速率？
• RQ2 在具有真实反馈的孤立矮星系中，不同气体相（如冷中性介质 CNM、暖中性介质 WNM、热电离介质 HIM）中哪些冷却与加热过程占主导地位？
• RQ3 在包含时变辐射与化学的 3D 模拟中，与 1D 平衡模型相比，预测原子到分子转变及相结构的差异程度如何？
• RQ4 金属丰度与辐射场的变化在多大程度上影响电子数密度偏离平衡值的程度？
• RQ5 非平衡电子数密度对可观测发射线（特别是在低金属丰度环境）有何影响？

主要发现

• 星际介质中的非平衡电子数密度可超过或低于平衡值三倍以上，主要由复合滞后与快速宇宙射线加热引起。
• 模型显示，大多数星际介质气体处于接近热平衡状态，或仅表现出轻微的冷却不稳定性，表明非平衡效应虽显著，但并非整体相结构的主导因素。
• 在 3D 模拟中，由于引入了可变的 FUV 辐射、自屏蔽与电离反馈，原子到分子的转变速度比 1D 模型更快。
• 电子数密度的增强归因于冷却速率超过复合 timescale 的复合滞后，而不足则源于快速宇宙射线加热未被复合过程匹配。
• PRISM 模型成功再现了在六个数量级金属丰度范围内的平衡温度-密度关系，且在密度 ≤10³ cm⁻³ 时仅存在 ≤10% 的微小差异。
• 该模型已成功应用于展示温度涨落对矮星系中金属丰度测量的影响（Cameron et al. 2022），凸显其在解释观测诊断中的实用性。