Star Formation and Feedback in Simulations of Galaxy Formation

  • Our Team

  • Prof. Cristiano Porciani (PI, AIfA)
  • Enrico Garaldi (AIfA)
  • Alexander Schäbe (AIfA)
  • Dr. Emilio Romano-Diaz (AIfA)

Überblick

„Wir erzeugen Galaxien wann immer wir wollen“

Wenn man heute mit modernsten Beobachtungsinstrumenten in die Frühzeit des Universums zurückblickt, sieht man, dass die Entstehung von Sternen bereits sehr effektiv war, als das Universum noch nicht einmal ein Zehntel seines heutigen Alters erreicht hatte. Tatsächlich wurden vor etwa 8 Milliarden Jahren sogar 10mal mehr Sterne gebildet als heute (A1). Zu verstehen, wie Sterne entstehen und welchen Einfluss sie dabei auf ihre Umgebung ausüben, ist daher auch für kosmologische Fragestellungen zentral, z.B. wenn man herausfinden will, wie sich Galaxien wie unsere Milchstraße aus den winzigen Dichtefluktuationen im frühsten Universum entwickelt haben.

Um solche Fragen zu beantworten, nutzt man umfangreiche Simulationen, in denen Galaxien künstlich auf der Grundlage kosmologischer Randbedingungen erzeugt und in ihrer weiteren Entwicklung bestimmten physikalischen Gesetzen unterworfen werden. Der Vergleich der Ergebnisse dieser Simulationen mit tatsächlichen Beobachtungen kann daraufhin Aufschluss darüber liefern, wie gut die in den Simulationen gewählten Beschreibungen mit den in unserem Universum tatsächlich abgelaufenen Prozessen übereinstimmen.

Derartige kosmologische Simulationen sehen sich dabei aber mit einem grundsätzlichen Problem konfrontiert: auf der einen Seite müssen komplexe Prozesse wie die Entstehung von Sternen berücksichtigt werden, die sich oft auf kleinen Skalen und unter verschiedensten Bedingungen abspielen (C1, C3). Auf der anderen Seite wird die Entstehung und Entwicklung einer Galaxie aber auch durch ihre großräumige Umgebung beeinflusst, so dass entsprechende Modelle räumliche Volumina von einigen Megaparsec (also mehr als 20 Mal so breit wie der Durchmesser unserer Milchstraße) berücksichtigen müssen. Eine Beschreibung, die sowohl der physikalischen Prozesse auf kleinen Skalen als auch der enormen Gesamtausdehnung des Problems der Galaxienentwicklung (A3, A4, A6) gerecht wird, würde die Grenzen heute verfügbarer Computerleistung sprengen.

Es lassen sich daher zwei verschiedene Strategien unterscheiden, mit diesem Problem umzugehen: einerseits gibt es kosmologische Modelle, die einen Schwerpunkt auf die auf großen Skalen ablaufenden Prozesse legen und bei der Beschreibung der Sternentstehung und des interstellaren Mediums mit extremen Vereinfachungen arbeiten. Andererseits sind Modelle, in denen die relevante Mikrophysik adäquat und selbstkonsistent beschrieben wird, im Allgemeinen auf Gebiete beschränkt, die höchstens der Größe einer isolierten Galaxie entsprechen. Um zu verstehen, welchen Einfluss die Sternentstehung auf die Entwicklung von Galaxien auf kosmologischen Skalen besitzt, ist es aber notwendig, die sich aus diesen beiden Strategien ergebende Lücke zu schließen. Von Seiten der großskaligen, kosmologischen Simulationen aus heißt dies, dass die eingehende, vereinfachte Beschreibung der im interstellaren Medium ablaufenden Prozesse weiter an die tatsächlich vorliegende, komplexe Physik angenährt werden muss. Diesem Vorhaben widmet sich Projekt C4. „Wir erforschen den Einfluss der Sternentstehung auf die Struktur einer gesamten Galaxie. Die Idee ist, Simulationen mit Beobachtungen zu vergleichen um zu verstehen, welche physikalische Beschreibung der Sternenstehung am besten erklären kann, was wir sehen“, fasst Cristiano Porciani das Vorgehen des Projektes zusammen.

Um den Einfluss verschiedener Modelle von Sternentstehung und dessen Rückwirkung auf das interstellare Medium besser zu verstehen, wurde durch Projekt C4 bereits eine große Zahl numerischer Modelle gerechnet und ausgewertet. Kosmologische Modelle, in denen die Beschreibung des kalten interstellaren Mediums und der ablaufenden Sternenstehung entsprechend verbessert berücksichtigt wird, können in vielfältiger Weise für die Interpretation astronomischer Beobachtungen herangezogen werden und damit in der Beantwortung verschiedenster, grundlegender kosmologischer Fragen zum Zuge kommen. Beispielsweise kann so eine Brücke zwischen Ergebnisse des Planck-Satelliten, der die kosmische Hintergrundstrahlung als „Babyfoto“ des Universums mit einem Alter von nur 380000 Jahren beobachtet hat, zu Galaxien-Beobachtungen des neuen ALMA-Observatoriums geschlagen werden. Gleichzeitig können diese Simulationen dafür genutzt werden, besser zu verstehen wie die ersten Sterne im Universum durch ihre Strahlung zu einer erneuten Ionisierung des umgebenden Gases geführt haben (C1). Auch zu dieser Frage konnten gemäß Porciani bereits Ergebnisse erzielt werden: „Wir haben herausgefunden, dass bestimmte Beobachtungen tatsächlich den exakten Zeitpunkt eingrenzen können, an dem die Reionisierung des Universums stattgefunden hat.“

Ausgewählte Publikationen


In 2018
Garaldi, E., Romano-Díaz, E., Porciani, C., Pawlowski, M. S., On the radial acceleration relation of ΛCDM satellite galaxies. PRL, 2018, in press.

Jiménez-Andrade, E. F., Magnelli, B., Karim, A., Jones, G. C., Carilli, C. L., Romano-Díaz, E., Gómez-Guijarro, C., Toft, S., Bertoldi, et al. Molecular gas in AzTEC/C159: a star-forming disk galaxy 1.3 Gyr after the Big Bang. A&A, 2018, in press.

Garaldi, E., Romano-Díaz, E., Borzyszkowski, M., Porciani, C., ZOMG - III. The effect of halo assembly on the satellite population, MNRAS, 2018, 473, 2234.

Gómez-Guijarro, C., Toft, S., Karim, A., Magnelli, B., Magdis, G. E., Jiménez-Andrade, E. F., Capak, P. L., Fraternali, F., Fujimoto, S., Riechers, D. A., Schinnerer, E., Smolcic, V., Aravena, M., Bertoldi, F., Cortzen, I., Hasinger, G., Hu, E. M., Jones, G. C., Koekemoer, A. M., Lee, N., McCracken, H. J., Michałowski, M. J., Navarrete, F., Povic, M., Puglisi, A., Romano-Díaz, E., et al. Starburst to Quiescent from HST/ALMA: Stars and Dust Unveil Minor Mergers in Submillimeter Galaxies at z ~ 4.5, ApJ, 2018, 856, 121, 121.

In 2017
Romano-Díaz, E., Garaldi, E., Borzyszkowski, M., Porciani, C., ZOMG - II. Does the halo assembly history influence central galaxies and gas accretion? MNRAS, 2017, 469, 1809

Borzyszkowski, M., Porciani, C., Romano-Díaz, E., Garaldi, E., ZOMG - I. How the cosmic web inhibits halo growth and generates assembly bias. MNRAS, 2017, 469, 594

In 2016
Sadoun, R., Shlosman, I., Choi, J.-H., Romano-Díaz, E., The Baryon Cycle at High Redshifts: Effects of Galactic Winds on Galaxy Evolution in Overdense and Average Regions. ApJ, 2016, 829, 71, 71

In 2015
Tomassetti, M., Porciani, C., Romano-Diaz, E., Ludlow, A.D., Simulating the H 2 content of high- redshift galaxies. MNRAS, 2015, 446, 3330

Yajima, H., Shlosman, I., Romano-Díaz, E., Nagamine, K., Observational properties of simulated galaxies in overdense and average regions at redshifts z ~ 6 − 12”, MNRAS, 2015, 451, 418

In 2014
Tomassetti, M., Porciani, C., Romano-Díaz, E., Ludlow, A. D., Papadopoulos, P. P.  Atomic carbon as a powerful tracer of molecular gas in the high-redshift Universe: perspectives for ALMA, MNRAS Letters, 2014, 445, L124

Compostella, M., Cantalupo, S., Porciani, C., AGN-driven helium reionization and the incidence of extended He III regions at redshift z > 3, MNRAS, 2014, 445, 4186

Romano-Díaz, E., Shlosman, I., Choi, J.-H., Sadoun, R.  The Gentle Growth of Galaxies at High Redshifts in Overdense Environments. ApJ Letters, 2014, 790L, 32.

In 2013
Compostella, M., Cantalupo, S., Porciani, C., The imprint of inhomogeneous HeII reionization on the H I and He II Lyα forest. MNRAS, 2013, A&A, 2013, 435, 3169.

In 2012
Cantalupo, S., Haehnelt, M.G., Lilly, S.J., Detection of dark galaxies and circum-galactic filaments fluorescently illuminated by a quasar at z = 2.4. MNRAS, 2012, 425, 1992.

Fraternali, F., Tomassetti, M., Estimating mass accretion in galaxies using the Kennicutt-Schmidt law. MNRAS, 2012, 426, 2166.

Trenti, M., Bradley, L.D., Stiavelli, M., Shull, J.M., Oesch, P., Bouwens, R.J., Munoz, J.A., Romano-Diaz, E., Treu, T., Shlosman, I., Carollo, C.M., Overdensities of Y-dropout galaxies from the brightest-of-reionizing galaxies survey: a candidate protocluster at redshift z~8. ApJ, 2012, 746, 55.

In 2011
Cantalupo, S., Porciani, C., RADAMESH: cosmological radiative transfer for Adaptive Mesh Refinement simulations. MNRAS, 2011, 411, 1678.

Non refereed (submitted to refereed journals)