高红移大质量暗晕冷流吸积的流体数值模拟研究

Cold stream accretion had been successfully incorporated into the semi-analytical model of galaxy formation, and made excellently explanations of observational evidences of galaxies, especially at high redshifts. The significant progresses have been also made in the numerical simulation of cold flows, but there are still many unsolved problems to be addressed by further analytical, numerical and observational approaches. Using high resolution hybrid N-body/hydrodynamic numerical simulation, this project is aimed to explore many physical aspects of the bimodal gas model. The key problems to be addressed include (1) gas distribution around the filamentary structure linking the dark matter halos, and moreover thermal kinematic and dynamical states;(2) interaction between shock-heated hot bubbles and cold stream, and the possible destructive mechanism for cold streams including thermal conduction, turbulence and various hydrodynamic instabilities. (3) the large scale turbulence stimulated in the early galaxy disks, disk instability, condensation and fragmentation of gas clumps. The numerical approach made in this project will be helpful to advance our understanding of the bimodal accretion model in dark matter halos, star formation in the high-redshift galaxy disks and its dynamical evolution. It is also expected that the analytical fitting results extracted from out simulations will provide basic and valuable physical inputs for the semi-analytical model of galaxy formation.

冷流吸积被成功引入星系形成的半解析模型模型，很好地揭示了星系、特别是高红移星系的基本观测事实。冷流吸积的数值模拟研究近年来也取得显著进展，但在核心物理过程仍有很多尚未解决的问题。本项目旨在基于星系形成的冷/热双模式吸积模型的基本框架，借助高精度N体-流体动力学数值模拟，细致研究气体在暗物质晕周围的分布以及在暗物质晕中的吸积过程，探讨 (1) 暗物质晕连接的纤维结构中气体的分布，以及热力学和动力学性质；（2）激波加热的热气体泡和冷流的相互作用，以及可能破坏冷流吸积的热传导、湍流和流体不稳定性；(3) 高红移星星系盘大尺度湍流、引力不稳定性以及气体团块的产生和分裂。期待通过该项研究，可以加深对星系形成理论中的双吸积模式，高红移星系盘的恒星形成和动力学演化的认识，同时得到的分析拟合结果可以给星系形成的半解析模型提供基本的物理输入.

我们引入物理正定保持的 WENO算法，对暗物质-气体混合型宇宙学数值模拟软件 WIDGEON 进行了升级优化。借助系列高精度数值实验，探讨了宇宙学尺度上湍流发生的机以及人工粘性的影响，证实了红移z=2之后，通过涡旋运动可以在大尺度上形成完全发展的湍流结构，同时涡旋和压缩运动在波数空间的功率谱具有双幂律行为。在此基础上，我们进一步探讨了不同宇宙网络结构中的湍流行为。特别对纤维状结构，发现存在一个特征尺度，涡旋标度指数和密度分形维数在此尺度上会产生明显的跳变，它意味着气体吸积行为在z=2时出现由二维薄片主导到一维纤维的转变，它对理解高红移星系形成中的熄灭机制以及星系的双峰分布具有重要的意义。通过对小并合中冷流吸积稳定性的流体数值模拟研究，我们发现通常所认为的破坏冷流吸积的K-H不稳定性和热传导并不足以阻止冷气体吸积进入星系的中心区域，而小并合的发生可以使吸积率在典型穿越时间内有70%的降低，有利于我们对高红移暗晕中的冷流吸积和恒星形成过程的理解。利用斯隆数字巡天样本，通过对一个所选取的正向星系样本的颜色-星等分布的一维和二维拟合，发现在红序列和蓝云之间的绿谷星系存在两个高斯成分，它暗示着存在两个不同的演化途径，该结果对检验星系形成和演化模型，对理解星系的熄灭机制具有指导意义