[论文解读] Tests of subgrid models for star formation using simulations of isolated disk galaxies

Folkert S J Nobels, Joop Schaye+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2023

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 4

一句话总结

本研究在孤立银河系质量星系的光滑粒子流体动力学（SPH）模拟中测试了亚网格恒星形成模型，发现结合谢泼德定律与引力不稳定性判据、且每自由落体时间恒星形成效率为1%的基准模型最能复现观测到的肯尼库特-施密特关系。该模型在质量分辨率四个数量级范围内表现出良好的数值收敛性，且优于密度阈值和温度上限方法，尤其在低金属丰度环境下表现更优。

ABSTRACT

We use smoothed-particle hydrodynamics simulations of isolated Milky Way-mass disk galaxies that include cold, interstellar gas to test subgrid prescriptions for star formation (SF). Our fiducial model combines a Schmidt law with a gravitational instability criterion, but we also test density thresholds and temperature ceilings. While SF histories are insensitive to the prescription for SF, the Kennicutt-Schmidt (KS) relations between SF rate and gas surface density can discriminate between models. We show that our fiducial model, with an SF efficiency per free-fall time of 1 per cent, agrees with spatially-resolved and azimuthally-averaged observed KS relations for neutral, atomic and molecular gas. Density thresholds do not perform as well. While temperature ceilings selecting cold, molecular gas can match the data for galaxies with solar metallicity, they are unsuitable for very low-metallicity gas and hence for cosmological simulations. We argue that SF criteria should be applied at the resolution limit rather than at a fixed physical scale, which means that we should aim for numerical convergence of observables rather than of the properties of gas labelled as star-forming. Our fiducial model yields good convergence when the mass resolution is varied by nearly 4 orders of magnitude, with the exception of the spatially-resolved molecular KS relation at low surface densities. For the gravitational instability criterion, we quantify the impact on the KS relations of gravitational softening, the SF efficiency, and the strength of supernova feedback, as well as of observable parameters such as the inclusion of ionized gas, the averaging scale, and the metallicity.

研究动机与目标

• 评估各种亚网格恒星形成方案在孤立盘星系模拟中的表现。
• 确定哪种恒星形成判据——密度阈值、温度上限或引力不稳定性——最能复现观测到的肯尼库特-施密特（KS）关系。
• 评估在不同质量分辨率和物理参数下，恒星形成可观测量的数值收敛性。
• 确定恒星形成判据是否应在分辨率极限处应用，而非在固定物理尺度上应用。

提出的方法

• 使用光滑粒子流体动力学（SPH）模拟孤立银河系质量盘星系，包含冷星际气体，并采用基准亚网格模型，结合谢泼德定律与引力不稳定性判据。
• 测试替代方案：密度阈值（n_H,crit）、温度上限（T_crit），以及基于判据 α_crit = 1.5 × (1 + 0.5 × (T/T_cold)²) × (n_H / n_crit)⁻¹ 的引力不稳定性。
• 将每自由落体时间的恒星形成效率（ε）从0.1%变化至1000%，以评估其对恒星形成率（SFR）和KS关系的影响。
• 通过调整超新星反馈强度32倍，评估其对恒星形成历史和KS关系归一化的影响。
• 将引力软化长度在50至800 pc之间变化，并将质量分辨率变化4096倍，以测试数值收敛性。
• 将模拟得到的KS关系（针对中性气体、原子气体和分子气体）与空间分辨且方位平均的观测数据进行比较。

Figure 1: The gravitational instability criterion in temperature-density space for different velocity dispersions (solid lines, different colours; gas at higher densities or lower temperatures is unstable) and different resolutions and/or normalisations (two sets of lines labelled with different val

实验结果

研究问题

• RQ1 在孤立盘星系中，哪种亚网格恒星形成判据——密度阈值、温度上限或引力不稳定性——最能复现观测到的肯尼库特-施密特关系？
• RQ2 每自由落体时间的恒星形成效率如何影响肯尼库特-施密特关系的归一化和拐点？
• RQ3 在不同质量分辨率和引力软化长度下，恒星形成历史与KS关系的数值收敛性达到何种程度？
• RQ4 在分辨率极限处应用恒星形成判据是否比按分辨率缩放更有利于收敛？
• RQ5 在宇宙学背景下，反馈强度与金属丰度在多大程度上影响不同亚网格模型的鲁棒性？

主要发现

• 基准模型——结合谢泼德定律与引力不稳定性判据、且每自由落体时间恒星形成效率为1%——最能复现中性气体、原子气体和分子气体的观测空间分辨与方位平均的肯尼库特-施密特关系。
• 密度阈值与温度上限无法复现观测到的KS关系，尤其在低金属丰度下，冷且几乎无金属的气体因未被解析而无法形成恒星。
• 引力不稳定性判据在质量分辨率四个数量级范围内表现出良好的数值收敛性，仅在低面密度下分子KS关系略有偏差。
• 将引力软化长度从50 pc增至800 pc对KS关系影响极小，尽管在高面密度下略微增加了气体消耗时间。
• 固定α_crit值相比按分辨率缩放的α_crit能获得更好的KS关系收敛性，支持在分辨率极限处应用判据。
• 通过与观测对比，每自由落体时间的恒星形成效率被约束在约1%，因为过高或过低的值都会破坏KS关系的归一化与拐点。

Figure 2: The fiducial simulation with $Z=Z_{\odot}$ at $t=1~{}\rm Gyr$ . Top two rows: Edge-on and face-on gas surface density for the total gas (left column), atomic hydrogen (middle column) and molecular hydrogen (right column). Third row: Face-on view of the mass-weighted temperature (left), mas