TY  - THES
A1  - Damle, Mitali
T1  - Gas distribution around galaxies in cosmological simulations
T1  - Gasverteilung um Galaxien in kosmologischen Simulationen
N2  - The evolution of a galaxy is pivotally governed by its pattern of star formation over a given period of time. The star formation rate at any given time is strongly dependent on the amount of cold gas available in the galaxy. Accretion of pristine gas from the Intergalactic medium (IGM) is thought to be one of the primary sources for star-forming gas. This gas first passes through the virial regions of the galaxy before reaching the Interstellar medium (ISM), the hub of star formation. On the other hand, owing to the evolutionary course of young and massive stars, energetic winds are ejected from the ISM to the virial regions of the galaxy. A bunch of interlinked, complex astrophysical processes, arising from the concurrent presence of both infalling as well as outbound gas, play out over a range of timescales in the halo region or the Circumgalactic medium (CGM) of a galaxy. It would not be incorrect to say that the CGM has a stronghold over the gas reserves of a galaxy and thus, plays a backhand, yet, rather pivotal role in shaping many galactic properties, some of which are also readily observable. Observing the multi-phase CGM (via spectral-line ion measurements), however, remains a non-trivial effort even today. Low particle densities as well as the CGM’s vast spatial extent, coupled with likely deviations from a spherical distribution, marr the possibility of obtaining complete, unbiased, high-quality spectral information tracing the full extent of the gaseous halo. This often incomplete information leads to multiple inferences about the CGM properties that give rise to multiple contradicting models. In this regard, computer simulations offer a neat solution towards testing and, subsequently, falsifying many of these existing CGM models. Thanks to their controlled environments, simulations are able to not only effortlessly transcend several orders of magnitude in time and space, but also get around many of the observational limitations and provide some unique views on many CGM properties. In this thesis, I focus on effectively using different computer simulations to understand the role of CGM in various astrophysical contexts, namely, the effect of Local Group (LG) environment, major merger events and satellite galaxies. In Chapter 2, I discuss the approach used for modeling various phases of the simulated z = 0 LG CGM in Hestia constrained simulations. Each of the three realizations contain a Milky Way (MW)–Andromeda (M31) galaxy pair, along with their corresponding sets of satellite galaxies, all embedded within the larger cosmological context. For characterizing the different temperature–density phases within the CGM, I model five tracer ions with cloudy ionization modeling. The cold and cool–ionized CGM (H i and Si iii respectively) in Hestia is very clumpy and distributed close to the galactic centers, while the warm-hot and hot CGM (O vi, O vii and O viii) is tenuous and volume-filling. On comparing the H i and Si iii column densities for the simulated M31 with observational measurements from Project AMIGA survey and other low-z galaxies, I found that Hestia galaxies produced less gas in the outer CGM, unlike observations. My carefully designed observational bias model subsequently revealed the possibility that some MW gas clouds might be incorrectly associated with the M31 CGM in observations, and hence, may be partly responsible for giving rise to the detected mismatch between simulated data and observations. In Chapter 3, I present results from four zoom–in, major merger, gas–rich simulations and the subsequent role of the gas, originally situated in the CGM, in influencing some of the galactic observables. The progenitor parameters are selected such that the post–merger remnants are MW–mass galaxies. We generally see a very clear gas bridge joining the merging galaxies in case of multiple passage mergers while such a bridge is mostly absent when a direct collision occurs. On the basis of particle–to–galaxy distance computations and tracer particle analysis, I found that about 33–48 percent of the cold gas contributing to the merger–induced star formation in the bridge originated from the CGM regions. In Chapter 4, I used a sample of 234 MW-mass, L* galaxies from the TNG50 cosmological simulations, with an aim of characterizing the impact of their global satellite populations on the extended cold CGM properties of their host L* halos. On the basis of halo mass and number of satellite galaxies (N_sats ), I categorized the sample into low and high mass bins, and subsequently into bottom, inter and top quartiles respectively. After confirming that satellites indeed influence the extended cold halo gas density profiles of the host galaxies, I investigated the effects of different satellite population parameters on the host halo cold CGMs. My analysis showed that there is hardly any cold gas associated with the satellite population of the lowest mass halos. The stellar mass of the most massive satellite (M_*mms ) impacted the cold gas in low mass bin halos the most, while N_sats (followed by M_*mms ) was the most influential factor for the high mass halos. In any case, how easily cold gas was stripped off the most massive satellite did not play much role. The number of massive (Stellar mass, M* > 10^8 M_solar) satellites as well as the M_*mms associated with a galaxy are two of the most crucial parameters determining how much cold gas ultimately finds its way from the satellites to the host halo. Low mass galaxies are found rather lacking on both these fronts unlike their high mass counterparts. This work highlights some aspects of the complex gas physics that constitute the basic essence of a low-z CGM. My analysis proved the importance of a cosmological environment, local surroundings and merger history in defining some key observable properties of a galactic CGM. Furthermore, I found that different satellite properties were responsible for affecting the cold–dense CGM of the low and high-mass parent galaxies. Finally, the LG emerged as an exciting prospect for testing and pinning down several intricate details about the CGM.
N2  - Die zeitliche Entwicklung der Sternenentstehung in einer Galaxie ist ein bestimmender Faktor für deren Entwicklung. Dabei ist die Sternenentstehungsrate stark abhängig von der in der Galaxie verfügbaren Menge an kaltem Gas. Die Akkretion von Gas aus dem intergalaktischen Medium (IGM) wird als eine
der wichtigsten Quellen für das Gasreservoir angesehen, aus dem sich junge Sterne bilden. Bei diesem Prozess passiert das Gas zunächst die virialisierten äußeren Regionen der Milchstraße bevor es das Interstellare Medium (ISM) erreicht, der wichtigste Ort für die galaktische Sternentstehung. Im Gegensatz dazu tragen energiereiche Winde Gas zurück in die virialisierten Außenbereiche der Galaxie. Diese entstehen aufgrund der spezifischen Evolutionsprozesse von besonders jungen und massereichen Sternen in der galaktischen Scheibe. Durch das Zusammenspiel von einfallendem und das die Galaxie verlassendem Gas entsteht eine Vielzahl von astrophysikalischen Prozessen welche auf unterschiedlichsten Zeitskalen sowie in der Haloregion der Galaxie und dem zirkumgalaktischen Medium (CGM) von besonderer Wichtigkeit sind. Es kann behauptet werden, dass das CGM maßgeblich über die Gasreserven der Galaxie entscheidet und daher eine elementare Rolle in der Bestimmung vieler galaktischer Eigenschaften spielt von denen mache direkt beobachtbar sind. Die Beobachtung des CGM in seinen vielen unterschiedlichen Gasphasen (durch die Spektrallinienanalyse mehrerer Ionenspezies) gestaltet sich auch heute noch als kompliziert. Die geringen Teilchendichten und die schiere Größe im Zusammenspiel mit Abweichungen von sphärischer Geometrie erschweren
es, vollständige, repräsentative und hochqualitative spektrale Datensätze zu erhalten welche das volle Ausmaß das galaktischen Halos in Betracht ziehen. Diese unvollständige Informationslage führt oft zu unterschiedlichen Interpretationen der Eigenschaften des CGM welche sich in verschiedenen, sich mitunter widersprechenden Modellen, widerspiegeln. In diesem Zusammenhang bieten Computersimulationen eine elegante Lösung, um viele der CGM Modelle zu testen und schließlich zu verifizieren oder falsifizieren. Die kontrollierte Umgebung erlaubt es, das CGM mühelos auf unterschiedlichsten Größenordnungen in Raum und Zeit zu untersuchen aber auch observationstechnische Limitationen zu umgehen, um ein einzigartiges Bild der Eingenschaften des CGM zu erhalten. In dieser Arbeit fokussiere ich mich auf die effektive Nutzung von verschiedenen Computersimulationen, um die Rolle des CGM im verschiedenen astrophysikalischen Kontexten zu verstehen. 

 Im Kapitel 2 diskutiere ich den Ansatz, welcher für das Modellieren derunterschiedlichen Gasphasen  des CGM in der Lokalen Gruppe (LG) bei z = 0 in den ”constrained” Simulationen des Hestia Projekts angewandt worden iii ist. Jede der drei Realisierungen enthält ein Milchstraßen-M31 Paar zusammen ihren Satellitengalaxien. Alle zusammen sind dabei eingebettet in den größeren kosmologischen Kontext. Für die Charakterisierung der unterschiedlichen Temperatur-Dichte Phasen im CGM habe ich eine Gruppe von fünf Ionen gewählt welche das Vorhandensein der Phasen anzeigen. Für jede der Zellen in der Simulation habe ich das cloudy post-processing Toolkit angewandt und die entsprechenden Anteile der Ionen im Gas bestimmt. Das kalte und kühle CGM (entsprechend charakterisiert durch H i beziehungsweise Si iii) zeigt sich sehr klumpig und ist nahe an den galaktischen Zentren verteilt während das warm-heiße CGM (charakterisiert durch O vi, O vii, O viii) dünn verteilt und volumenfüllend ist. Durch den Vergleich der Säulendichten für H i und Si iii aus den Simulationen zusammen mit Beobachtungsdaten der AMIGA Durchmusterung und Studien über andere Galaxien mit geringer Rotverschiebung habe ich herausgefunden, dass hestia weniger Gas in den Außenbereichen des CGM produziert als es die Beobachtungsdaten suggerieren. Mein sorgfältig entworfenes Modell für den Beobachtungsbias hat die Möglichkeit aufgezeigt, dass in Beobachtungen mache der Milchstraße zugehörigen Gaswolken als M31-zugehörig missinterpretiert werden könnten.

Im Kapitel 3 präsentiere ich Ergebnisse von vier zoom-in, major merger und gasreichen Simulationen unter dem Gesichtspunkt der Rolle des Gases, welches ursprünglich dem CGM zugehörig ist und dessen Einfluss auf einige galaktische Observablen. Die initialen Parameter sind so ausgewählt, dass die den Verschmelzungen entspringenden Galaxien eine vergleichbare Masse wie die der Milchstraße besitzen. Im Allgemeinen sehen wir eine klare Brücke von Gas im Falle von Verschmelzungen welche mehrere separate Annäherungen durchlebten. Im Vergleich dazu fehlt diese Brücke in den Fällen einer direkten Kollision. Auf der Grundlage von particle-to-galaxy Distanz Berechnungen und tracer particle Analysen habe ich herausgefunden, dass rund 33–48 Prozent des kalten Gases aus dem CGM zur Sternenentstehung, welche in Folge der Kollision erfolgt, beiträgt.

In Kapitel 4 habe ich eine Stichprobe aus 234 L* Galaxien, jeweils mit der Masse der Milchstraße, aus der Kosmologischen Simulation TNG50 genutzt, um den Einfluss der globalen Begleitgalaxienpopulation auf die Eigenschaften des ausgedehnten und kalten CGM der Zentralhalos zu bestimmen. Auf der Basis der Halomasse habe ich die Galaxienhalos in Bins niedriger und hohern Masse eingeteilt. Dabei ist jeder dieser Bins wiederum unterteilt in das untere, mittlere und obere Quartil in Abhängigkeit der Anzahl der Begleitgalaxien (N_sats) im jeweiligen Halo. Nach der Bestätigung dass Begleitgalaxien in der Tat die Gasdichteprofile ihrer Zentralgalaxie beeinflussen, habe ich die Effekte von verschiedenen Populationsparametern der Begleitgalaxien auf die CGM der jeweiligen Zentralgalaxien untersucht. Meine Analyse zeigt, dass nahezu kein kaltes Gas mit der Population der Satellitengalaxien in den Halos mit der geringsten Masse assoziiert ist. Das Gas der Halos im masseärmeren Bin ist primär beeinflusst durch die stellare Masse der massereichsten Satelliten-galaxie (M_*mms), wohingegen N_sats (gefolgt von M _*mms) die Masse des kalten Gases der massereichsten Zentralhalos am signifikantesten beeinflusst hat. Unabhängig davon schien es nicht von Relevanz zu sein wie einfach das Gas von der massereichsten Satellitengalaxie abgetragen werden kann. Die Anzahl der der massereichen (M* > 10^8 M_solar) Satellitengalaxien, sowie die mit einer Galaxie assoziierten M_*mms zeigten sich als zwei der Wichtigsten Parameter um zu verstehen wie das kalte Gas von den Satellitengalaxien in den Halo transferiert wird. Im Falle von masseärmeren Galaxien scheinen sich diese in beiden Aspekten von ihren massereichen Gegenstücken zu unterscheiden und zeigen keine besondere Abhängingkeit.

Diese Arbeit behandelt einige Aspekte der komplexem physikalischen Aspekte von astrophysikalischen Gasen welche die Basis für die Untersuchung des CGM bei geringen Rotverschiebungen bildet. Meine Analyse zeigt die Wichtigkeit des Kosmologischen Umfelds, die lokale Umgebung, sowie die Verschmelzungshistorie indem sie fundamentale Observablen des galaktischen CGM beeinflussen. Des weiteren habe ich herausgefunden, dass verschiedene Satelliteneigenschaften für die Beeinflussung des kalt–dichten CGM der masseärmeren und massereichen Muttergalaxien verantwortlich waren. Schließlich stellte sich heraus, dass die LG eine vielversprechendes Beispiel zum Testen und Festhalten mehrerer komplizierter Details über das CGM darstellt.
KW  - circumgalactic medium
KW  - cosmological simulations
KW  - local group
KW  - major mergers
KW  - satellite galaxies
KW  - zirkumgalaktischen Medium
KW  - kosmologische Computersimulationen
KW  - lokalen Gruppe
KW  - Major mergers
KW  - Begleitgalaxien
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-590543
ER  - 
TY  - THES
A1  - Guidi, Giovanni
T1  - Connecting simulations and observations in galaxy formation studies
T1  - Verknüpfung von Simulationen und Beobachtungen bei der Untersuchung der 
Galaxienenstehung
N2  - Observational and computational extragalactic astrophysics are two fields of research that study a similar subject from different perspectives. Observational extragalactic astrophysics aims, by recovering the spectral energy distribution of galaxies at different wavelengths, to reliably measure their properties at different cosmic times and in a large variety of environments. Analyzing the light collected by the instruments, observers try to disentangle the different processes occurring in galaxies at the scales of galactic physics, as well as the effect of larger scale processes such as mergers and accretion, in order to obtain a consistent picture of galaxy formation and evolution. On the other hand, hydrodynamical simulations of galaxy formation in cosmological context are able to follow the evolution of a galaxy along cosmic time, taking into account both external processes such as mergers, interactions and accretion, and internal mechanisms such as feedback from Supernovae and Active Galactic Nuclei. Due to the great advances in both fields of research, we have nowadays available spectral and photometric information for a large number of galaxies in the Universe at different cosmic times, which has in turn provided important knowledge about the evolution of the Universe; at the same time, we are able to realistically simulate galaxy formation and evolution in large volumes of the Universe, taking into account the most relevant physical processes occurring in galaxies.

As these two approaches are intrinsically different in their methodology and in the information they provide, the connection between simulations and observations is still not fully established, although simulations are often used in galaxies' studies to interpret observations and assess the effect of the different processes acting on galaxies on the observable properties, and simulators usually test the physical recipes implemented in their hydrodynamical codes through the comparison with observations. In this dissertation we aim to better connect the observational and computational approaches in the study of galaxy formation and evolution, using the methods and results of one field to test and validate the methods and results of the other. 

In a first work we study the biases and systematics in the derivation of the galaxy properties in observations. We post-process hydrodynamical cosmological simulations of galaxy formation to calculate the galaxies' Spectral Energy Distributions (SEDs) using different approaches, including radiative transfer techniques. Comparing the direct results of the simulations with the quantities obtained applying observational techniques to these synthetic SEDs, we are able to make an analysis of the biases intrinsic in the observational algorithms, and quantify their accuracy in recovering the galaxies' properties, as well as estimating the uncertainties affecting a comparison between simulations and observations when different approaches to obtain the observables are followed. Our results show that for some quantities such as the stellar ages, metallicities and gas oxygen abundances large differences can appear, depending on the technique applied in the derivation.

In a second work we compare a set of fifteen galaxies similar in mass to the Milky Way and with a quiet merger history in the recent past (hence expected to have properties close to spiral galaxies), simulated in a cosmological context, with data from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS). We use techniques to obtain the observables as similar as possible to the ones applied in SDSS, with the aim of making an unbiased comparison between our set of hydrodynamical simulations and SDSS observations. We quantify the differences in the physical properties when these are obtained directly from the simulations without post-processing, or mimicking the SDSS observational techniques. We fit linear relations between the values derived directly from the simulations and following SDSS observational procedures, which in most of the cases have relatively high correlation, that can be easily used to more reliably compare simulations with SDSS data. When mimicking SDSS techniques, these simulated galaxies are photometrically similar to galaxies in the SDSS blue sequence/green valley, but have in general older ages, lower SFRs and metallicities compared to the majority of the spirals in the observational dataset.

In a third work, we post-process hydrodynamical simulations of galaxies with radiative transfer techniques, to generate synthetic data that mimic the properties  of the CALIFA Integral Field Spectroscopy (IFS) survey. We reproduce the main characteristics of the CALIFA observations in terms of field of view and spaxel physical size, data format, point spread functions and detector noise.  This 3-dimensional dataset is suited to be analyzed by the same algorithms applied to the CALIFA dataset, and can be used as a tool to test the ability of the observational algorithms in recovering the properties of the CALIFA galaxies. To this purpose, we also generate the resolved maps of the simulations' properties, calculated directly from the hydrodynamical snapshots, or from the simulated spectra prior to the addition of the noise.

Our work shows that a reliable connection between the models and the data is of crucial importance both to judge the output of galaxy formation codes and to accurately test the observational algorithms used in the analysis of galaxy surveys' data. A correct interpretation of observations will be particularly important in the future, in light of the several ongoing and planned large galaxy surveys that will provide the community with large datasets of properties of galaxies (often spatially-resolved) at different cosmic times, allowing to study galaxy formation physics at a higher level of detail than ever before. We have shown that neglecting the observational biases in the comparison between simulations and an observational dataset may move the simulations to different regions in the planes of the observables, strongly affecting the assessment of the correctness of the sub-resolution physical models implemented in galaxy formation codes, as well as the interpretation of given observational results using simulations.
N2  - Beobachtende und computergestütze extragalaktische Astrophysik sind zwei Forschugnsbereiche welche ein ähnliches Gebiet in unterschiedlichen Perspektiven untersuchen. Beobachtende extragalaktische Astrophysik hat das Ziel verlässlich die Eigenschaften bei verschiedenen kosmischen Zeiten und bei einer großen Vielzahl von Umgebungen, durch das Betrachten der spektralen Energieverteilung der Galaxien, zu vermessen. Auf der anderen Seite sind hydrodynamische Simulationen im kosmologischen Kontext in der Lage die Entstehung und zeitliche Entwicklung einer Galaxie zu verfolgen, in dem unterschiedliche physikalische Prozesse einbezogen werden. Aufgrund der großen Fortschritte beider Forschungsbereiche sind heutzutage große Datenbanken mit Spektren und photometrische Informationen für eine große Menge von Galaxien bei verschiedenen kosmischen Zeiten verfügbar. Zur gleichen Zeit sind wir in der Lage die Entstehung und Entwicklung von Galaxien realistisch zu simulieren, unter Berücksichtigung der wichtigsten physikalischen Prozesse.

Da diese Ansätze grundlegend verschieden sind, ist die Verbindung von Simulationen und Beobachtungen nicht komplett hergestellt, obwohl Simulationen oft zur Interpretation von Beobachtungen genutzt werden und Simulationen durch den Vergleich mit Beobachtungen getestet werden. Das Ziel dieser Dissertation ist die bessere Verknüpfung von Simulationen und Beobachtungen durch die Verwendung der Methoden und Ergebnisse der einen Methode, zur Validierung der anderen und umgekehrt. 

In einer ersten Arbeit untersuchen wir die systematischen Effekte bei der Vermessung der Eigenschaften von Galaxien in Beobachtungen. Indem wir direkt Simulationen mit syntetischen Daten vergleichen, ist es uns möglich die systematischen Effekte der Beobachtungsalgorithmen zu untersuchen und ihre Genauigkeit bei der Untersuchung der Eigenschaften der Galaxien zu bestimmen. Unsere Ergebnisse ziegen, dass für einige Messgrößen große Unterschiede auftreten können.

In einer zweiten Arbeit vergleichen wir 15 simulierte Spiralgalaxien mit ähnlicher Masse wie der Milchstraße mit Daten vom Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Dabei verwenden wir die gleichen Methoden, welche bei SDSS verwendet werden, um möglischest unvoreingenommen zwischen hydrodynamischen Simulationen und SDSS Daten zu vergleichen. Wenn wir die Beobachtungsmethoden von SDSS nachahmen, sind die simulierten Galaxien den SDSS Galaxien der blauen Sequenz in der Photometrie ähnlich, aber haben generell höheres Alter, geringere Sternentstehungsrate und Metalizität.

In einer dritten Arbeit bearbeiten wir hydrodynamische Simulationen von Galaxien mit Strahlungstransportalgorithmen um synthetische Daten des CALIFA Integralfeldspektroskopie Surveys (IFS) zu erzeugen. Wir reproduzieren die Hauptcharakteristika der CALIFA-Beobachtungen in Bezug auf Sichtfeld, Spaxelgröße, Datenformat, Punktspreizfunktion und Detektorrauschen. Dieser dreidimensionale Datensatz is geeignet, um mit den selben Techniken analysiert zu werden, wie die CALIFA-Daten und können als Mittel genutzt werden, um die Genauigkeit der Beobachtungsalgorithmen zu testen. Zu diesem Zweck erzeugen wir räumlich aufgelöste Eigenschaften der Simulationen, welche direkt von den Aufnahmen der hydrodynamischen Simulationen oder synthetischen Spektren ohne Rauschen berechnet werden.

Unsere Arbeit zeigt, dass die verlässliche Verknüpfung von Modellen und Daten von entscheidender Wichtigkeit ist ist, um die Ergebnisse der Galaxieformationssimulationen zu beurteilen und akurat die Beobachtungsalgorithmen zu testen, welche bei der Analyse der Galaxiesurveydaten benutzt werden. Eine korrekte Interpretation der Beobachtungen wird im Hinblick auf die vielen fortlaufenden und geplanten Galaxiesurveys, welche den Wissenschaftern große Datenmengen der Eigenschaften der Galaxien bei unterschiedlichen Zeiten zur Verfügung stellen werden, besonders wichtig in der Zukunft, da dies eine genauere Untersuchung der Physik der Galaxieformationen auf einem Niveau, höher als je zuvor, ermöglichen wird. Außerdem haben wir gezeigt, dass  bei dem Vergleichen zwischen Beobachtungen und Simulationen der Bias der Beobachtungen nicht vernachlässigbar ist und die Beurteilung der Korrekturen der physikalischen Modelle, welche in en Galaxieformationscodes implementiert ist, stark beeinflusst, als auch die Interpretation der gegebenen Ergebnisse der Beobachtungen bei Verwendung von Simulationen.
KW  - galaxy formation
KW  - galaxy evolution
KW  - cosmological simulations
KW  - numerical techniques
KW  - mock observations
KW  - Entstehung von Galaxien
KW  - Entwicklung von Galaxien
KW  - kosmologische Simulationen
KW  - numerische Methoden
KW  - synthetische Beobachtungen
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-396876
ER  -