[论文解读] Public data release of the FIRE-2 cosmological zoom-in simulations of galaxy formation

Andrew Wetzel, Christopher C. Hayward+24 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 7

一句话总结

本论文首次公开发布了FIRE-2宇宙学聚焦模拟的数据，提供了对星系形成过程的高分辨率（秒差距量级）模拟，明确建模了恒星反馈、气体物理和恒星形成过程。此次发布包括20个银河系质量及以下质量的星系在红移z=0–10范围内的39个快照，4个大质量星系的19个快照，以及22个高红移系统的11个快照，数据包含完整的粒子数据、晕族星表，以及用于追踪恒星粒子和恒星流的工具。

ABSTRACT

We describe a public data release of the FIRE-2 cosmological zoom-in simulations of galaxy formation, available at http://flathub.flatironinstitute.org/fire, from the Feedback In Realistic Environments (FIRE) project. FIRE-2 simulations achieve parsec-scale resolution to explicitly model the multi-phase interstellar medium while implementing direct models for stellar evolution and feedback, including stellar winds, core-collapse and Ia supernovae, radiation pressure, photoionization, and photoelectric heating. We release complete snapshots from 3 suites of simulations. The first comprises 20 simulations that zoom in on 14 Milky Way-mass galaxies, 5 SMC/LMC-mass galaxies, and 4 lower-mass galaxies including 1 ultra-faint; we release 39 snapshots across z = 0 - 10. The second comprises 4 massive galaxies, with 19 snapshots across z = 1 - 10. Finally, a high-redshift suite comprises 22 simulations, with 11 snapshots across z = 5 - 10. Each simulation also includes dozens of resolved lower-mass (satellite) galaxies in its zoom-in region. Snapshots include all stored properties for all dark matter, gas, and star particles, including 11 elemental abundances for stars and gas, and formation times (ages) of star particles. We also release accompanying (sub)halo catalogs, which include galaxy properties and member star particles. For the simulations to z = 0, including all Milky Way-mass galaxies, we release the formation coordinates and an "ex-situ" flag for all star particles, pointers to track particles across snapshots, catalogs of stellar streams, and multipole basis expansions for the halo mass distributions. We describe publicly available python packages for reading and analyzing these simulations.

研究动机与目标

• 通过发布具有物理解耦一致反馈模型的高分辨率宇宙学模拟，实现星系形成研究的开放与可重复。
• 向天体物理学界提供详细的粒子数据，包括恒星形成历史、元素丰度和形成坐标。
• 通过发布恒星流目录和晕质量分布的多极展开，支持星系组装、恒星晕形成及反馈效应的研究。
• 通过一套专为22个高红移系统设计的模拟，促进对高红移和低质量星系演化的研究。
• 通过FlatHUB建立可持续的数据基础设施，实现可扩展的数据访问和FIRE-2数据集的未来扩展。

提出的方法

• 使用GIZMO代码进行宇宙学聚焦模拟，结合自适应网格细化和基于粒子的流体动力学，实现对多相星际介质的秒差距量级空间分辨率。
• 实施全面的反馈模型，包括恒星风、核心塌缩超新星和Ia型超新星、辐射压力、光致电离以及光电离加热。
• 通过指针索引追踪快照之间的恒星粒子，并存储其形成红移和位置，以支持粒子起源的反向追溯。
• 发布完整的粒子数据（暗物质、气体、恒星），包含所有恒星粒子的11种元素丰度和形成时间。
• 生成（子）晕星表，包含星系属性和成员粒子列表，包括区分原位形成与吸积形成恒星的外源标志位。
• 为银河系质量星系提供晕质量分布的多极基展开和恒星流目录，以建模质量组装过程和潮汐破坏过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 在包含显式反馈的高分辨率模拟中，能否重现银河系质量星系在宇宙时空中结构和化学特性？
• RQ2 在大质量星系的恒星晕中，原位形成与外源吸积形成的恒星分别贡献了多少？
• RQ3 低质量及超晕星系中恒星的动力学和化学特性与高红移观测结果相比如何？
• RQ4 模拟生成的恒星流和晕质量分布在多大程度上与银河系和M31中的观测特征相匹配？
• RQ5 FIRE-2中建模的反馈过程如何影响分辨的恒星形成区和多相星际介质的形成？

主要发现

• FIRE-2模拟实现了秒差距量级的空间分辨率，使孤立星系和相互作用星系中多相星际介质的显式建模成为可能。
• 该数据集包含20个银河系质量及以下星系在z=0–10范围内的39个快照，包含所有恒星的完整粒子数据和形成历史。
• 对于所有模拟至z=0的银河系质量星系，此次发布提供了形成坐标、外源标志位以及用于跨快照追踪单个恒星粒子的指针索引。
• 为所有银河系/M31质量星系提供了恒星流目录和晕质量分布的多极基展开，支持对吸积历史的详细建模。
• 数据发布包含22个高红移星系（z=5–10）的11个快照，支持对宇宙黎明时期早期星系形成和反馈过程的研究。
• 每个聚焦区域的模拟中均包含数十个分辨的卫星星系，支持对卫星吸积和潮汐破坏过程的详细研究。