The lifecycle of gas in high redshift galaxies

Abstract

The details of galaxy formation are still an unsolved problem in astrophysics. Even though significant progress has been made in simulations and observations, it remains an unsolved issue to describe the complexity it yields. One of the reasons for this is the vast dynamical range in space and time. The smallest scales, where star formation occurs, are connected to the larger scale structure of the galaxy through various feedback processes. Understanding the different phases of the interstellar medium (ISM) is crucial since it directly affects the cycle of gas, where star formation occurs in one of these phases. One main problem is the discrepancy of timescales on the various scales and between different phases.

Previous work has been carried out where this is investigated but mainly focuses on one type of galactic model. In this work, I compare two types of galaxies with varying gas fractions. Both of them resemble a Milky Way-type galaxy, but due to the varying gas fraction, one of them represents a galaxy in the local Universe, whereas the higher gas fraction model resembles a high redshift galaxy.

To perform the comparison between the galaxies, I use numerical simulations with the hydrodynamical and N-body code RAMSES, with the specific version of tracer particles implemented in the code by Cadiou et al. (2019). These tracer particles enable us to track individual gas parcels as they evolve in the galaxy. A database is created where the information about these tracer particles is stored for each simulation snapshot.

With this database, we find the timescales for how long gas spends inside and outside of clouds. The definition of a cloud is set to be ρ ≥ 100cm−3 and T ≤ 100 K, based on the star formation recipe chosen in RAMSES. These specific timescales are found for the two galaxies.

I present the mean average time a tracer particle spends inside a cloud, as well as outside. The resulting timescales agree with previous work, although in the lower range. There is not a great difference between the two galaxies. One plausible explanation is that the galaxy with a high initial gas fraction exhibits a lower gas fraction at the time of analysis, making the two models more similar to each other than initially considered. Another explanation for the similarities seen in this project between the two galaxies is that, in this context, tracer particles do not experience such large differences between galaxies with varying gas fractions. The result of this work can thus challenge the intuitive belief that local-type galaxies are so different compared to high redshift galaxies in the context of timescales.

Popular Abstract (Swedish)

På senaste tiden har flera bilder på galaxer från James Webb Space Telescope (JWST) uppmärksammats. Spektakulära bilder på olika galaxer i alla dess former visas upp och allmänheten kan beundra allt det vackra i Universum. I och med att det ljus som kommer till oss från dessa galaxer har färdats ett visst avstånd, kan man säga att ju längre bort vi observerar - desto längre bak i tiden ser vi.

Detta innebär att vi kan observera hur galaxer såg ut i början av Universums utveckling och jämföra med hur de ser ut idag. Det finns också andra möjligheter att jämföra galaxer från tidiga Universum och galaxer idag, nämligen med simuleringar.

Med hjälp av superdatorer kan vi simulera hur galaxer formas och beter sig. För att skapa dessa simuleringar krävs avancerade program och koder, som inte bara beskriver hur stjärnor inuti galaxer beter sig, utan också hur gas rör sig. Våra galaxer innehåller nämligen mycket gas och det är från stora, täta och kalla gasmoln som stjärnor bildas. Att förstå och kunna beskriva hur gas rör sig i galaxen är därför viktigt för att förstå hur galaxen i sin helhet beter sig.

En av de största utmaningarna inom detta område är att få ihop vilka tidsskalor som beskriver vilka processer. I föregående paragraf nämndes hur stjärnor bildas från kalla och täta gasmoln. Gas kan dock befinna sig i andra faser, såsom varm och diffus eller till och med riktigt het och joniserad. Hur lång tid gas befinner sig i de olika faserna, alltså hur cykeln av gas i dess olika former ser ut, och hur det påverkar den stora galaxens tidsskalor är inte riktigt helt klarlagt än.

I mitt projekt kommer jag undersöka denna cykel, och finna de typiska tidsskalor som gas befinner sig under varje cykel. Detta görs med hjälp av numeriska simuleringar av två olika galaxer, där den ena representerar en galax så som den ser ut idag, medan den andra efterliknar hur galaxer såg i början av Universums utveckling. Detta åstadkoms genom att variera gashalten på galaxerna i simuleringen.

För att kunna följa gasen använder jag mig av så kallade tracerpartiklar. Det är påhittade små partiklar som är utspridda i simuleringen och följer med gasen i dess utveckling. Med hjälp av dessa tracerpartiklar kan jag få tag i gasdensiteten som varierar med tid. En illustration av detta kan ses i figure 2. Den röda linjen visualiserar en densitetsgräns för att markera att när gas är ovanför denna linje befinner den sig i ett moln. Från denna figur är det lätt att visualisera de tre olika tidsskalorna som kommer undersökas och bestämmas i detta projekt.

• author: Söderman, Anna-Maria
• supervisor: Oscar Agertz; Corentin Cadiou
• organization: Department of Physics; Astrophysics
• course: ASTM32 20241
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• report number: 2024-EXA230
• language: English
• id: 9166641
• date added to LUP: 2024-11-05 09:57:40
• date last changed: 2024-11-05 09:57:40