宇宙-气体动力学模拟中的高效且精确的力量重放

我们利用基于函数展开的球面调和和样条函数构建了 Milky Way 质量星系的时间演化引力势模型，这些模型来自 FIRE-2 套件的宇宙-气体动力学模拟。这些模型捕捉了对暗核和盘的角向变异使用球面调和，对径向或经纬面变异使用样条。我们对每个快照拟合低阶展开（4 个角/调和项），每个快照间隔约为 25 Myr，覆盖其演化后 4 亿年。然后提取离散时间点的力，并在相邻快照之间进行插值以进行前向轨道积分。该方法以高保真度重建模拟粒子所受的力，95% 的恒星和暗物质（不包括自引力亚星系）在盘和暗核中均表现出 $\leq$4% 的误差。对模型施加对称性会系统性地增加这些误差，尤其是盘粒子，显示出对施加对称性更大的敏感性。使用这些模型恢复的大多数轨道在 2-3 个轨道周期内位置误差 $\leq$10%，而在靠近银河中心时轨道误差更大。即使采样间隔为 200 Myr，近似积分常数也仍能高度准确地恢复。在 4 亿年的积分后，43% 和 70% 的轨道的总能量和角动量误差分别在 10% 内。因此，轨道形状参数如近点距和远点距的可靠性更高，误差约为 10%，即使经过多个轨道周期也如此。这些技术具有多种应用，包括在宇宙学背景下研究卫星破碎。