ISM in numerical simulations: chemistry, energy feedbacks and related issues - numerical methods

The physics of the interstellar medium (ISM) and its processes play a key role in determining the formation and the evolution of the galaxies. The description of the ISM includes many interacting phenomena, namely the energy feedback, the chemical reactions between molecules and atoms, the physics of the dusts, the cooling, the heating and, finally, the interactions of the ISM with photons and with cosmic rays. The most important issue for the star formation process is the amount of cooling given by the roto-vibrational lines of the molecules (H2, HD, CO) and by the fine-structure lines of the metals. Since all the aforementioned phenomena take part to the formation of such coolants, we need an accurate description of these processes. In this framework we develop a model aimed at the study of the ISM. This model includes a large number of physical processes such as a detailed chemical network including hydrogen-based species (H, H+, H−, H2, H+ 2 ), helium-based (He, He+, He++), metals and their ions (C, C+, O, O+, Si, Si+, Fe, Fe+), deuterium-based (D, D+, D−, D2, HD, HD+), and molecules containing carbon (CO, CH, CH+, CH2, CH+ 2 , CH3 and CH+ 3 ). The cooling model adopted uses the metals (including ions) and the molecules, considering the analysis of the statistical equilibrium for the excitation levels (where necessary). Moreover, the interaction of the UV photons with the gas, which determines the heating and the ionization of the ISM. The last ingredient is the dust which interacts with all the previous components; The temperature of the grains is determined by the impinging UV radiation, they catalyze the formation of molecules (such as molecular hydrogen), and provide cooling and heating to the surrounding medium. We also include their evolution and the influence of their different sizes in all the interactions listed above. All these processes of the ISM have their counterpart in the algorithms of a chemical/physical code called ROBO. The aim of this code is to study the ISM and the interplay of its phenomena. The results of the code ROBO are than used to describe the evolution of the phases of the ISM in a NB-TSPH cosmological simulation to study the star formation for different evolving galaxies. This class of simulation must take into account a wide range of chemical species to track the formation of the key-role molecules and atoms (H2, HD, CO and metals). In this sense, modeling the gas chemistry (and related processes) is crucial within this context. However, too detailed a chemistry reduces the computational performances of the evolutionary code. This requires the development of a strategy to optimize the accuracy of the model with the computational speed. One way to approach to this problem is to create a database in advance, which feeds the data to the main NB-TSPH simulation during the execution of the code. The database is then embedded into the NB-TSPH code using the Artificial Neural Networks. In this work we first discuss the physical phenomena of the ISM, than we introduce the code ROBO, which is the companion code of the ISM model, and finally we show how Artificial Neural Networks are included in such a scenario.

La fisica del mezzo interstellare (ISM) e i relativi processi giocano un ruolo decisivo nella formazione e nell’evoluzione delle galassie. La descrizione del mezzo interstellare include molti fenomeni che interagiscono tra di loro, quali i feedback, le reazioni chimiche che vedono coinvolti atomi e molecole, la fisica delle polveri, i processi di raffreddamento e di riscaldamento e le interazione del mezzo con i fotoni e i raggi cosmici. Il processo che maggiormente influenza la star formation è il raffreddamento dovuto allo spettro rotovibrazionale delle molecole (H2, HD, CO) e allo spettro derivante dalla righe di struttura fine dei metalli. Dato che i processi precedentemente elencati prendono parte alla distruzione e alla formazione di tali molecole, è necessaria una descrizione accurata dei fenomeni presenti nel mezzo interstellare. In questo contesto abbiamo sviluppato un modello per lo studio del mezzo interstellare. Questo modello comprende un’ampia varietà di fenomeni, come ad esempio un network chimico dettagliato che include le species idrogenoidi (H, H+, H−, H2, H+ 2 ), l’elio e i suoi ioni (He, He+,He++), i metalli con i relativi ioni (C, C+, O, O+, Si, Si+, Fe, Fe+), le species che contengono il deuterio (D, D+, D−, D2, HD, HD+), ed infine le molecole che contengono il carbonio (CO, CH, CH+, CH2, CH+ 2 , CH3 and CH+ 3 ). Il modello di cooling adottato utilizza i metalli (e relativi ioni) e le molecole, considerando dove necessario un calcolo diretto dell’equilibrio statistico dei livelli atomici e molecolari. Inoltre le interazioni con la radiazione ultravioletta determinano il riscaldamento e la ionizzazione del gas. L’ultimo ingrediente sono le polveri che interagiscono con tutte le precedenti componenti, poiché la temperatura dei grani è determinata dalla radiazione che illumina il volume di gas considerato, inoltre le polveri catalizzano la formazione di molecole e contemporaneamente scaldano o raffreddano il mezzo a seconda delle condizioni in cui si trovano. Abbiamo anche introdotto la loro evoluzione considerando che grani di diverse dimensioni hanno una diversa influenza sui processi descritti. Tutti questi processi hanno una loro controparte negli algoritmi di un codice chiamato ROBO che è la rappresentazione numerica del modello proposto. Lo scopo principale di questo codice è quello di studiare il mezzo interstellare e l’interazione tra i fenomeni che lo caratterizzano. I risultati prodotti dal codice ROBO vengono inoltre utilizzati per descrivere l’evoluzione delle diverse fasi del mezzo interstellare all’interno di un codice evolutivo NB-TSPH. Questo codice ermette di studiare la formazione stellare nelle galassie durante la loro evoluzione su scala cosmologica. Inoltre le simulazioni di formazione ed evoluzione delle galassie su larga scala devono tenere conto di una varietà di specie chimiche che permettano la formazione delle molecole e degli atomi più importanti (H2, HD, CO e metalli). Tuttavia una descrizione troppo dettagliata di questi fenomeni riduce le prestazioni del codice NB-TSPH a livello computazionale. Siamo quindi costretti a sviluppare una strategia per ottimizzare il bilancio tra precisione algoritmica e velocità di tali algoritmi. Un approccio possibile è quello di creare un database precedente alla fase di esecuzione del codice NB-TSPH con un apposito codice chimico-fisico, cioè ROBO. Il database diventa quindi accessibile dal codice evolutivo durante la sua esecuzione, e la metodologia usata per interfacciare database e codice NB-TSPH fa utilizzo delle Reti Neurali Artificiali. In questa tesi discuteremo prima i vari fenomeni che agiscono all’interno del mezzo interstellare, poi introdurremmo il codice chimico ROBO e infine mostreremo alcuni risultati