Introducing the THESAN-ZOOM project: radiation-hydrodynamic simulations of high-redshift galaxies with a multi-phase interstellar medium
Rahul Kannan, Ewald Puchwein, Aaron Smith, Josh Borrow, Enrico Garaldi, Laura Keating, Mark Vogelsberger, Oliver Zier, William McClymont, Xuejian Shen, Filip Po… 展开作者
Rahul Kannan, Ewald Puchwein, Aaron Smith, Josh Borrow, Enrico Garaldi, Laura Keating, Mark Vogelsberger, Oliver Zier, William McClymont, Xuejian Shen, Filip Popovic, Sandro Tacchella, Lars Hernquist, Volker Springel
We introduce the THESAN-ZOOM project, a comprehensive suite of high-resolution zoom-in simulations of $14$ high-redshift ($z>3$) galaxies selected from the THESAN simulation volume. This sample encompasses a diverse range of halo masses, with $M_\mathrm{halo} \approx 10^8 - 10^{13}~\mathrm{M}_\odot$ at $z=3$. At the highest-resolution, the simulations achieve a baryonic mass of $142~\mathrm{M}_\odot$ and a gravitational softening length of $17~\mathrm{cpc}$. We employ a state-of-the-art multi-phase interstellar medium (ISM) model that self-consistently includes stellar feedback, radiation fields, dust physics, and low-temperature cooling through a non-equilibrium thermochemical network. Our unique framework incorporates the impact of patchy reionization by adopting the large-scale radiation field topology from the parent THESAN simulation box rather than assuming a spatially uniform UV background. In total, THESAN-ZOOM comprises $60$ simulations, including both fiducial runs and complementary variations designed to investigate the impact of numerical and physical parameters on galaxy properties. The fiducial simulation set reproduces a wealth of high-redshift observational data such as the stellar-to-halo-mass relation, the star-forming main sequence, the Kennicutt-Schmidt relation, and the mass-metallicity relation. While our simulations slightly overestimate the abundance of low-mass and low-luminosity galaxies they agree well with observed stellar and UV luminosity functions at the higher mass end. Moreover, the star-formation rate density closely matches the observational estimates from $z=3-14$. These results indicate that the simulations effectively reproduce many of the essential characteristics of high-redshift galaxies, providing a realistic framework to interpret the exciting new observations from JWST.
The THESAN-ZOOM project: Star-formation efficiencies in high-redshift galaxies
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；York University（约克大学）；Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam（波茨坦阿纳尼天体物理研究所）；The University of Texas at Dallas（德克萨斯大学达拉斯分校）；University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）；The University of Tokyo（东京大学）；Institute for Fundamental Physics of the Universe（基础物理宇宙研究所）；University of Edinburgh（爱丁堡大学）；Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian（哈佛-史密森尼天体物理中心）；University of Cambridge（剑桥大学）
The THESAN-ZOOM project: Star formation efficiency from giant molecular clouds to galactic scale in high-redshift starbursts
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Nanjing University（南京大学）；Tsinghua University（清华大学）；York University（约克大学）；Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam（波茨坦阿诺德·爱因斯坦天体物理研究所）；The University of Texas at Dallas（德克萨斯大学达拉斯分校）；University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）；The University of Tokyo（东京大学）；Institute for Fundamental Physics of the Universe（基础物理宇宙研究所）；University of Edinburgh（爱丁堡大学）；Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian（哈佛与史密森尼天体物理中心）；University of Cambridge（剑桥大学）；Cavendish Laboratory, University of Cambridge（剑桥大学卡文迪许实验室）
The THESAN-ZOOM project: clumpiness of high-redshift galaxies and its connection to bursty star formation
Peking University（北京大学）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics, Peking University（北京大学 Kavli 天体物理研究所）；Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian（哈佛-史密森尼天体物理中心）；York University（约克大学）；Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam（波茨坦阿诺德·爱因斯坦天文所）；The University of Texas at Dallas（得克萨斯大学达拉斯分校）；University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）；The University of Tokyo（东京大学）
The THESAN-ZOOM project: The Hidden Neighbours of OI Absorbers during Reionization
University of Edinburgh（爱丁堡大学）；York University（约克大学）；Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam（波茨坦阿基米德天体物理研究所）；The University of Texas at Dallas（得克萨斯大学达拉斯分校）；University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）；The University of Tokyo（东京大学）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian（哈佛史密森尼天体物理中心）
The THESAN-ZOOM project: Burst, quench, repeat -- unveiling the evolution of high-redshift galaxies along the star-forming main sequence
Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge（卡弗里宇宙学研究所，剑桥大学）；Cavendish Laboratory, University of Cambridge（卡文迪许实验室，剑桥大学）；Department of Physics, The University of Texas at Dallas（德克萨斯大学达拉斯分校物理系）；Department of Physics and Astronomy, York University（约克大学物理与天文系）；Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam（波茨坦阿斯特拉诺伊克莱布尼茨研究所）；Department of Physics and Astronomy, University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学物理与天文系）；Kavli IPMU (WPI), UTIAS, The University of Tokyo（东京大学 Kavli 宇宙物理学与数学起源联合研究中心（WPI），UTIAS）；Institute for Fundamental Physics of the Universe（宇宙基本物理研究所）；Institute for Astronomy, University of Edinburgh（爱丁堡大学天文学研究所）
The THESAN-ZOOM project: central starbursts and inside-out quenching govern galaxy sizes in the early Universe
University of Cambridge（剑桥大学）；The University of Texas at Dallas（德克萨斯大学达拉斯分校）；York University（约克大学）；Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam（波茨坦阿佩尔天体物理研究所）；University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）；The University of Tokyo（东京大学）；Institute for Fundamental Physics of the Universe（基础宇宙物理研究所）；University of Edinburgh（爱丁堡大学）
The THESAN-ZOOM project: Mystery N/O more -- uncovering the origin of peculiar chemical abundances and a not-so-fundamental metallicity relation at $3<z<12$
University of Cambridge（剑桥大学）；The University of Texas at Dallas（德克萨斯大学达拉斯分校）；York University（约克大学）；The University of Tokyo（东京大学）；Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam（波茨坦阿斯特拉物理研究所）
From THESAN-ZOOM to JWST: Predicting ionizing photon escape and the rise of UV-bright reionization sources
University of Cambridge（剑桥大学）；The University of Texas at Dallas（德克萨斯大学达拉斯分校）；York University（约克大学）；The University of Tokyo（东京大学）；Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam（波茨坦阿纳西斯天文台）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
Metallicity Gradients in Modern Cosmological Simulations II: The Role of Bursty Versus Smooth Feedback at High-Redshift
University of Virginia（弗吉尼亚大学）；Virginia Institute for Theoretical Astronomy, University of Virginia（弗吉尼亚大学理论天体物理研究所）；Max Planck Institut für Astrophysik（马克斯·普朗克天体物理学研究所）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Philipps Universität Marburg（马尔堡菲利普斯大学）；Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge（剑桥大学卡弗里宇宙学研究所）；Cavendish Laboratory, University of Cambridge（剑桥大学卡文迪许实验室）
Zooming on the internal structure of $z\simeq6$ galaxies
我们提出了放大，AMR，高分辨率（$\simeq 30$ PC）模拟高红移（$z \simeq 6$）星系的目的是表征其内部性质和星际介质。除其他功能外，我们采用了恒星形成模型的基础上物理健全的分子氢处方，并介绍了一种新的计划超新星反馈，恒星风和尘埃介导的辐射压力。在放大模拟中，目标晕中有一个名为“大丽花”的星系，其恒星质量为$M_*=1.6\times 10^{10}$ M $_\odot$，是典型的$z\sim 6$莱曼布雷克星系的代表。大丽花的总H2质量为$10^{8.5}$ M $_\odot$，主要集中在有效半径为$\simeq 0.6$ kpc和尺度高度为$\simeq 200$ pc的盘状结构中。频繁的合并将新鲜气体推向盘的中心，维持单位面积的恒星形成率为$\simeq 15 $ M $_\odot$ yr $^{-1}$ kpc $^{-2}$。圆盘由致密的（$n \gtrsim 25$ cm $^{-3}$）、富含金属（$Z \simeq 0.5 $ Z $_\odot$）的气体组成，这些气体由辐射压力支撑。我们计算了{大丽花}的$158μ$ m [CII]发射，发现总[CII]光度（$L_{[CII]}\simeq10^{7.5}$ L $_\odot$）中的$\simeq 95\%$来自H2盘.虽然CII质量的$30\%$通过流出物被输送出圆盘，但是由于其低密…
Columba: isolated dwarf galaxy populations in diverse cosmological environments simulated with a cold interstellar medium
Liverpool John Moores University（利物浦约翰摩尔斯大学）；University of Durham（杜伦大学）；Stockholm University（斯德哥尔摩大学）；University of Nottingham（诺丁汉大学）；Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）；University of Vienna（维也纳大学）；Leiden University（莱顿大学）
The FRIGG project: From intermediate galactic scales to self-gravitating cores
节录。了解星际气体的详细结构对于我们了解恒星形成过程至关重要。星际介质（ISM）的小尺度结构是银河系尺度的直接结果，将两者联系起来至关重要。我们进行自适应网格模拟，旨在弥合中间星系尺度和自引力星前核之间的差距。为此，我们使用分层超新星调节的ISM磁流体动力学（MHD）模拟在千秒差距尺度设置的初始条件。然后我们缩放，执行一系列同心均匀细化，然后在最后一个级别上细化牛仔裤长度。这使我们能够达到几个$10^{-3}$ pc的空间分辨率。核心确定使用一个clump finder和各种标准的基础上维里分析。计算它们最相关的属性，由于模拟中形成的大量对象，获得了可靠的统计数据。岩心的性质与观测结果吻合得很好。质谱在高质量下呈现明显的幂律，指数接近$\simeq -1.3$，峰在约1-2 $M_\odot$。速度色散和角动量分布分别是当地声速的几倍和几个$10^{-2}$ pc km s $^{-1}$。我们还发现，热超临界核心的分布提出了一个范围内的磁质量-通量超过临界质量-通量比，通常范围在$\simeq$ 0.3和3之间。
RIGEL: Ultra-faint dwarf galaxy diversity shaped by inhomogeneous cosmic reionization
Tsinghua University（清华大学）；Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam（波茨坦阿诺德·爱因斯坦天体物理研究所）；Institut für Theoretische Astrophysik, Zentrum für Astronomie, Universität Heidelberg（海德堡大学天体物理学中心理论天体物理研究所）；The University of Texas at Dallas（达拉斯德州大学）；York University（约克大学）；University of Bologna（博洛尼亚大学）；INAF, Astrophysics and Space Science Observatory Bologna（意大利国家天体物理研究所博洛涅空间科学天文台）；Columbia University（哥伦比亚大学）；Northwestern University（西北大学）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
Lyman-αabsorption beyond the disk of simulated spiral galaxies
我们提出了一个分析的起源和性质的环银河系介质（CGM）在一套11个宇宙学变焦模拟类似今天的螺旋星系。平均而言，星系中保留了大约50%的重子宇宙分数，几乎平均分为盘（星际介质）气体，冷CGM气体和温暖的热CGM气体。在半径小于50千秒差距的CGM主要是由中央星系注入的循环温热气体，而在更大的半径，它是由冷气体吸积到晕上占主导地位。再循环气体通常占CGM质量的三分之一。我们介绍了新的公开可用的分析工具\textsc{pygad}计算离子丰度和模拟吸收光谱。对于莱曼- $α$吸收，我们发现模拟的等效宽度（EW）分布和观测到的大半径很好的协议。具有静止装配历史的盘星系沿盘主轴显示出明显更多的吸收。通过比较EW和HI柱密度，我们发现CGM $α$吸收体最好用有效线宽$b\approx 50 - 70$ km s $^{-1}$表示，该线宽随晕质量轻度增加，大于通常假设的值。
Overmassive black holes in the early Universe can be explained by gas-rich, dark matter-dominated galaxies
University of Cambridge（剑桥大学）；York University（约克大学）；The University of Texas at Dallas（德克萨斯大学达拉斯分校）；Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam（波茨坦阿基米德研究所）；The University of Tokyo（东京大学）
Measuring dynamical masses from gas kinematics in simulated high-redshift galaxies
仪器的进步最近扩展了气体运动学的详细测量高红移星系的大样本。相对于大多数附近的薄盘星系，其中气体旋转精确地跟踪引力势，z>1星系的星际介质（ISM）通常更具动态性，并表现出更高的湍流。如果没有正确建模，这些影响可能会严重影响动态质量测量。我们使用高分辨率的FIRE-2宇宙学放大模拟来分析必须考虑的物理效应，以正确地从气体运动学推断动力学质量。我们的分析涵盖了从低红移银河系质量星系到大质量高红移星系（M_* > 10^11 M_sun，z=1）的一系列星系性质。我们只选取存在盘状物的快照，计算冷气体（10^3.5 K < T < 10^4.5 K）的旋转轮廓v_phi（r），并将其与圆周速度v_c=sqrt（GM/r）进行比较。在模拟的星系中，气体旋转跟踪圆速度在中间半径，但这两个量在中心和外盘显着分歧。我们的模拟似乎过度预测了在大质量星系中心观察到的旋转速度（可能是由于缺乏黑洞反馈），所以我们关注更大的半径。在这些半径处的湍流压力中的动量可以提供额外的径向支持，并使动态质量测量值降低高达40%。在内部和外部，气体的运动可以是显著非圆形的，例如由于棒、卫星和流入/流出。我们讨论了常用的分析模型的压力梯度（或“不对称漂移”）在高红移星系的ISM的准确性。
