[论文解读] The importance of the way in which supernova energy is distributed around young stellar populations in simulations of galaxies

Evgenii Chaikin, Joop Schaye+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 72被引用 35

一句话总结

本研究探讨了在超新星（SN）能量注入过程中选择气体粒子的方法对星系模拟的影响。利用SPH代码swift，比较了五种邻居选择方法——质量加权、各向同性、最近邻、最稀疏和最致密——在固定随机热能SN反馈模型下的表现。主要发现是，各向同性能量分布比传统的质量加权选择显著提升了反馈效率，星形成率和风质量载荷因子因方法不同而相差数倍，表明邻居选择的重要性不亚于能量预算的调节。

ABSTRACT

Supernova (SN) feedback plays a crucial role in simulations of galaxy formation. Because blastwaves from individual SNe occur on scales that remain unresolved in modern cosmological simulations, SN feedback must be implemented as a subgrid model. Differences in the manner in which SN energy is coupled to the local interstellar medium and in which excessive radiative losses are prevented have resulted in a zoo of models used by different groups. However, the importance of the selection of resolution elements around young stellar particles for SN feedback has largely been overlooked. In this work, we examine various selection methods using the smoothed particle hydrodynamics code SWIFT. We run a suite of isolated disk galaxy simulations of a Milky Way-mass galaxy and small cosmological volumes, all with the thermal stochastic SN feedback model used in the EAGLE simulations. We complement the original mass-weighted neighbour selection with a novel algorithm guaranteeing that the SN energy distribution is as close to isotropic as possible. Additionally, we consider algorithms where the energy is injected into the closest, least dense, or most dense neighbour. We show that different neighbour-selection strategies cause significant variations in star formation rates, gas densities, wind mass loading factors, and galaxy morphology. The isotropic method results in more efficient feedback than the conventional mass-weighted selection. We conclude that the manner in which the feedback energy is distributed among the resolution elements surrounding a feedback event is as important as changing the amount of energy by factors of a few.

研究动机与目标

• 研究不同气体邻居选择方法对星系模拟中SN反馈效率的影响。
• 检验SPH模拟中传统质量加权邻居选择是否因密度梯度而引入偏差。
• 在相同反馈模型下，评估替代选择策略——最近邻、最稀疏、最致密和各向同性——的表现。
• 确定邻居选择效应在孤立模拟与宇宙学模拟中是否具有鲁棒性，以及在不同分辨率下的表现。
• 评估结果对物理条件（如是否存在压强下限）的敏感性。

提出的方法

• 使用光滑粒子流体动力学（SPH）代码swift模拟孤立的银河系质量盘星系和小规模宇宙学体积。
• 固定来自DVS12（Dalla Vecchia & Schaye 2012）的随机热能SN反馈模型，仅改变邻居选择算法。
• 实现了一种新颖的各向同性邻居选择算法，通过在分辨率允许范围内均匀分布能量，最大限度减少方向性偏差。
• 比较了五种方法：质量加权（基线）、各向同性、最近邻、最稀疏气体粒子选择和最致密气体粒子选择。
• 在所有模拟中应用一致的反馈能量注入和冷却方案，以隔离邻居选择的影响。
• 分析了不同模拟中的星形成率、气体密度、风质量载荷因子和星系形态。

实验结果

研究问题

• RQ1 在孤立盘星系模拟中，选择用于SN反馈的气体邻居方法如何影响星形成率？
• RQ2 SPH中的质量加权邻居选择是否倾向于将能量注入更致密的气体，如果是，这对反馈效率有何影响？
• RQ3 在反馈效率和星系形态方面，替代邻居选择策略（最近邻、最稀疏、最致密和各向同性）之间有何差异？
• RQ4 随着分辨率提高，不同邻居选择方法的差异是否会收敛？它们对风质量载荷因子有何影响？
• RQ5 孤立模拟中的结果是否可推广至包含演化星系群体的宇宙学模拟？

主要发现

• 质量加权邻居选择方法由于SPH固有的加权机制，导致能量注入偏向更高密度气体，从而降低反馈效率。
• 各向同性邻居选择方法产生的反馈效率显著高于质量加权选择，导致星形成率更低，恒星质量更小。
• min_density（最稀疏）方法产生的反馈效率最高，而max_density（最致密）方法效率最低，星形成率差异可达数倍。
• 在主要方法中，各向同性反馈效率高于质量加权，而min_distance反馈效率几乎与各向同性相当，表明两者均为可行的替代方案。
• 由于邻居选择导致的星系属性差异随分辨率增加而增大，且各向同性和质量加权方法在基准分辨率下均表现出良好的收敛性，其中各向同性方法在后期表现略优。
• 结果对压强下限（P ∝ ρ⁴/³）的引入具有鲁棒性，证实邻居选择效应独立于此类物理约束。