[论文解读] Simulations and modelling of the ISM in galaxies

Claudia del P. Lagos, C. G. Lacey+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 6被引用 3

一句话总结

本文综述了星系形成中的流体动力学模拟与半解析模型，强调了对星际介质（ISM）——尤其是分子气和原子气相以及恒星形成——的改进建模，可更准确地再现观测到的缩放关系与红移演化。研究证明，引入物理ISM处理方法（如CO辐射和反馈驱动的湍流）可显著提升模型与ALMA及其他射电/亚毫米波望远镜观测的一致性。

ABSTRACT

The latest observations of molecular gas and the atomic hydrogen content of local and high-redshift galaxies, coupled with how these correlate with star formation activity, have revolutionized our ideas about how to model star formation in a galactic context. A successful theory of galaxy formation has to explain some key facts: (i) high-redshift galaxies have higher molecular gas fractions and star formation rates than local galaxies, (ii) scaling relations show that the atomic-to-stellar mass ratio decreases with stellar mass in the local Universe, and (iii) the global abundance of atomic hydrogen evolves very weakly with time. We review how modern cosmological simulations of galaxy formation attempt to put these pieces together and highlight how approaches simultaneously solving dark matter and gas physics, and approaches first solving the dark matter N-body problem and then dealing with gas physics using semi-analytic models, differ and complement each other. We review the observable predictions, what we think we have learned so far and what still needs to be done in the simulations to allow robust testing by the new observations expected from telescopes such as ALMA, PdBI, LMT, JVLA, ASKAP, MeerKAT, SKA.

研究动机与目标

• 评估现代宇宙学模拟与半解析模型在处理星系中复杂星际介质（ISM）物理过程方面的表现。
• 评估改进的ISM建模（特别是分子气和原子气、恒星形成及反馈）对再现观测到的星系缩放关系的影响。
• 识别模型与观测之间的关键差异，尤其关注原子氢和分子气分数随红移演化的问题。
• 在ALMA、SKA及相关望远镜即将开展的高灵敏度射电与亚毫米波巡天背景下，评估当前模型的预测能力。
• 比较流体动力学模拟（并行方法）与半解析模型（串行方法）在模拟ISM物理与星系演化方面的优缺点。

提出的方法

• 采用自洽模拟暗物质、气体动力学、冷却、恒星形成及超新星反馈的流体动力学模拟，实现对ISM尺度的解析。
• 采用半解析模型，先求解暗物质晕的N体问题，再应用参数化物理模型处理气体冷却、恒星形成与反馈。
• 在ISM中引入CO辐射的物理解释，包括CO激发与亮度函数，以与观测数据对比。
• 应用气体质量函数（HI与H2）及气体含量、恒星质量与恒星形成率之间缩放关系的统计建模。
• 利用模拟观测（如CO(3-2)与CO(6-5)的合成ALMA图像）测试模型预测与预期望远镜灵敏度和分辨率的一致性。
• 将模型输出与观测约束条件对比，如z ≈ 0与z ≈ 2时的CO(1-0)亮度函数，以及本地宇宙中的HI质量函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 流体动力学模拟与半解析模型在处理ISM物理及其再现观测气体缩放关系的能力方面有何差异？
• RQ2 超新星反馈在维持ISM湍流与调节星系恒星形成中起什么作用？该过程在模拟中如何体现？
• RQ3 对CO辐射进行物理建模在多大程度上能提升模拟与高红移分子气观测的一致性？
• RQ4 为何当前模型难以再现原子氢丰度随宇宙时间的微弱演化？需要哪些改进？
• RQ5 下一代望远镜（如ALMA、SKA与MeerKAT）将如何约束并改进星系形成模拟中的ISM建模？

主要发现

• 流体动力学模拟表明，表面恒星形成率与分子气面密度之间的观测关系源于两者对气体面密度的共同依赖，以及超新星驱动湍流的稳定效应。
• 包含静态、化学平衡ISM与物理恒星形成方案的半解析模型，成功再现了观测到的HI与H2质量函数，以及恒星质量增加时原子气与恒星质量比的下降趋势。
• 在半解析模型中引入CO辐射的物理建模（如Lagos et al. 2012）可显著改善与z ≈ 0与z ≈ 2时观测CO(1-0)亮度函数的一致性，有助于排除气体分数不合理的模型。
• 对z ≈ 2时CO(3-2)与CO(6-5)发射的模拟ALMA观测显示，完整ALMA配置可在20分钟与5小时内分别探测到典型星系，验证了模型的可预测性。
• 模型预测从z ≈ 0到z ≈ 2，明亮CO(1-0)星系的数密度显著演化，与JVLA和ALMA在COSMOS场的后续观测活动一致。
• 尽管已有进展，但在形态演化与原子气详细演化方面仍存在差异，表明两种模拟方法的亚网格物理模型仍需改进。