Simulating the Circumgalactic Medium and the Cycle of Baryons In and Out of Galaxies Throughout Cosmic History

Et sentralt spørsmål i moderne kosmologi er hvordan galakser dannes og utvikler seg gjennom den kosmiske historien. Galakser er ikke isolerte objekter i universet, men forbundet på en fundamental måte i et «kosmisk nettverk». Dette «nettverket» er skjelettet som får den mørke materien til å danne flater og filamenter ved gravitasjonskollaps. Skjæringspunktene mellom filamenter danner haloer av mørk materie. Baryonisk materie (eller «gass», dvs. den synlige materien beskrevet av standardmodellen for partikkelfysikk) samler seg langs filamentene til materiehaloer, som deretter avkjøles, kondenserer, kollapser og danner stjerner, og får galakser til å lyse. Det er også kjent at galakser er verter for supermassive sorte hull (SMBH) i sine kjerner, som også samler opp gass og vokser med tiden. Strukturdannelsesprosessen er imidlertid ikke en enveiskjørt vei. Stråling fra stjerner med stor masse, supernovaeksplosjoner og voksende SMBH-er overfører en stor mengde energi og bevegelsesmengde til den omkringliggende gassen. Til sammen driver disse tilbakekoblingssprosessene galaktiske utstrømninger på stor skala. Disse bringer masse, energi og tunge grunnstoffer tilbake til det kosmiske nettverket. Kort sagt, galaksedannelse og -utvikling er sterkt regulert av gassakkresjon fra det intergalaktiske mediet og energirike utstrømninger drevet av tilbakekoblingsprosesser. Magnetfelt og kosmisk stråling kompliserer bildet ytterligere ved å gi ikke-termisk støtte og trykkgradienter som letter utstrømninger i stor skala. Det sirkumgalaktiske mediet (CGM), dvs. gass som omgir galakser direkte, har verdifull informasjon om gass-strømmer inn og ut av galakser. Derfor foretas nå intensive observasjoner av dette på mange bølgelengder, og med både absorpsjons- og emisjonsteknikker. Observasjoner har vist en svært kompleks, flerfaset natur av CGM som ikke bare er avhengig av tilbakekobling, men også av ustabilitet på små skalaer og avkjølingsprosesser. De enorme dynamiske skalaene som er involvert i disse prosessene gjør det svært utfordrende å simulere galakse-CGM-økosystemet, og den store variasjonen av observasjonsmetoder og kompleksiteten til signalene gjør det vanskelig å tolke dataene. I dette prosjektet simulerer vi dannelsen og utviklingen av galakser gjennom den kosmisk historien i avanserte superdatamaskiner, fra den innledende tetthetsforstyrrelsen som ble dannet ved Big Bang, og frem til i dag. Dette «virtuelle universet» gir oss rike data om hvordan galakser utvikler seg sammen med miljøet, CGM. Simuleringene inkluderer de siste og beste differensialligningsløsere og de mest oppdaterte modeller for stjernedannelse, dannelse av sorte hull og akkresjon, tilbakekobling, strålingstransport og magnetiske felt. Vi konstruerer videre komplette datapipeliner for å lage syntetiske observasjoner av CGM, inkludert absorpsjonsegenskaper for spektra av bakgrunnskvasarer, og utslipp fra hydrogenatomer og forskjellige metalliske atomer, ioner og molekyler. Disse dataene er testet mot observasjoner ved forskjellige bølgelengder, for eksempel fra Cosmic Origins Spectrograph (COS) på Hubble Space Telescope og Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) på Very Large Telescope (VLT). De vil også bli brukt til å forutsi observasjoner av det fremtidige Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope (AtLAST) og også fra det nylig lanserte James Webb Space Telescope (JWST). Vi fant at den sirkumgalaktiske gassen viser komplekse opprinnelser og strukturer, og er sensitivt avhengig av mekanismene som driver galaktiske utstrømninger.

The project has resulted in 20 peer-reviewed papers (19 published, 1 in press), and 3 articles currently in the reviewing process. The main results are: 1) State-of-the-art simulations of galaxy formation and isolated galaxies were performed, with various simulation codes and stellar feedback models. 2) We have made great advance in understanding the origins and evolution of the circumgalactic media (CGM) around galaxies. 3) Major code developments were accomplished, in particular a fast algorithm for radiative transfer for investigation of stellar radiation on the CGM, and a full MHD solver to simulate non-thermal pressure and galactic winds. 4) We have built complete analysis pipelines for producing mock observational hydrogen Lyman-alpha emissions together with self-consistent transport for ionizing radiation. 5) We further explored CGM emissions from metal and molecular lines, which greatly complement the knowledge we gained from Lyman-alpha emission lines. The project has entailed tight collaborations between the extragalactic group of the Institute of Theoretical Astrophysics, UiO and several leading international research groups on the CGM and galaxy formation. The simulation codes developed during this project will potentially greatly benefit the entire Gasoline/ChaNGa code collaboration, one of the major international communities for cosmological simulations. Several participants (including PhD students and postdocs) in the project are now involved in future collaborative projects from the USA, Canada, and Switzerland. Moreover, the experience and expertise on developing massively parallel simulations has lead ITA/UiO to be the Norwegian partner of an EuroHPC consortium, which is dedicated to improve astrophysics codes for next-generation exa-scale HPC systems. Last but not least, the simulation data products, analysis pipelines, and mock observational data are being used by observers for interpreting current data and predicting future observations. For example, the CGM line-emission mock data are used in the EU-funded AtLAST Design Study for planning the next-generation submillimeter telescope. These activities have increased the visibility of Norwegian research on extragalactic astrophysics and high-performance computing. For a public outreach, we plan to write an article on Titan.uio.no, UiO's research newsletter for science and technology, about galaxy formation and evolution, the supermassive black holes, and how high-performance computers and AI technique help us to simulate and understand such complicate systems. In addition, we will organise planetarium/activities for the "Ungforsk" conference in the coming years for students in 10th grade and VG1 to gain knowledge on modern research in extragalactic astrophysics. In connection with international space missions (e.g., the launch of the JWST and the EUCLID satellite), with these activities we hope to spark the interest of young students to pursue a career in science.

Understanding the formation and evolution of galaxies is a primary goal in modern cosmology, and studies of the ionisation, chemical, thermodynamic, and kinematic states of gaseous material directly surrounding the galaxies, the circumgalactic medium (CGM), hold clues to understanding the mass, metal and energy exchange between galaxies and thus the galaxy formation process itself. We propose a comprehensive study of the baryon cycles in and out of galaxies and the CGM using state-of-the -art cosmological galaxy formation simulations. The simulations will be performed using two leading hydrodynamic codes, Gasoline2 and Arepo, each with its own well-tested models for star formation, stellar feedback and AGN feedback. Such a variety of feedback models enable us to test how sensitively the CGM depend on different feedback processes. The simulation data will be post-processed to produce synthetic absorption spectra and Lya emission maps, which will then be compared extensively with existing observational data at all redshifts. We will study how these observed properties depend on galaxy mass, star formation history and structure, providing invaluable insight for interpreting upcoming observation data from next generation telescopes and satellites, such as Euclid and E-ELT. Once accomplished, this project will also be the first theoretical study to explore the connection between the Lya emitting gas and the Lya and metal absorbers.