银河系大小盘星系的形成 I. 数值方法的比较

从宇宙学模拟中创建类似银河系的盘星系这一长期挑战，近年来推动了数值方法和物理模型的显著发展。我们在一项新的比较项目中，利用一组模拟银河系大小星系形成与演化的宇宙学流体动力学模拟，研究这两个基本方面。在本研究中，我们侧重于比较两种基于粒子的流体动力学方法：改进的平滑粒子流体动力学(SPH)代码Gadget，以及拉格朗日无网格有限质量(MFM)代码GIZMO。本文中的所有模拟均使用相同的初始条件和物理模型，包括暗物质和重子物理、恒星形成、“能量驱动”外流、金属依赖冷却、恒星演化以及来自超新星的金属增丰。我们发现两种数值方案都产生了一个具有扩展气体盘和恒星盘的晚型星系。然而，在星系性质及其演化的广泛范围内存在显著差异，包括恒星形成历史、气体含量、盘结构和运动学。特别地，两种模拟之间的气体性质及其演化存在显著差异。与GIZMO相比，Gadget模拟在高红移处产生了更大比例的冷稠密气体，这促进了快速的恒星形成，导致在$z = 0$时恒星质量高出$20\%$，气体比例低$10\%$，并且由于SPH中数值粘性对湍流运动的阻尼，产生的气体盘更平滑、旋转更连贯，而GIZMO模拟则显示出更显著的旋臂结构。鉴于其更好的收敛性质和更低的计算成本，我们认为MFM方法是宇宙学流体动力学模拟中广泛使用的SPH的一种有前景的替代方案。