Simulating the formation and evolution of galaxies. Methods and results

This Thesis has two closely interconnected goals. The first, and more strictly astrophysical, is the study of a possible theoretical scenario for the formation and the evolution of the galaxies in cosmological context. In order to do so, given the great complexity of the involved physical systems, it has been decided to use the tool of numerical simulations. The second aim is therefore the construction of an instrument suited to deal with this physical problem. In first part of this Thesis the observed properties of galaxies are summarized, with particular attention to their star formation history and their mass assembly. To this aim, a number of results from recent surveys are presented, seemingly suggesting a precise trend: massive galaxies formed before, and in shorter time, than less massive ones (downsizing, Bundy et al. 2006). This seems to be at odds with the current paradigm of cosmological structure formation, that predicts the hierarchical merging of small objects to assemble greater systems. How to make coexist the observational evidences with the theoretical scenario it is still an unsolved problem. Moving to lower masses, in dwarf galaxies regime, the star formation histories become extremely various and complex, apparently requiring the possibility that isolated objects can form stars after the initial burst, even without any external interaction. Then, the bases of theoretical models of formation of the galaxies are exposed, by means of a panoramic on the main physical processes involved: gravitation, hydrodynamics, cooling and heating phenomena, star formation, energetic and chemical feedback. The second part of the Thesis is focused on the numerical simulations made by the candidate. First of all, the basic version of the evolutionary code is presented: Pd-Tsph, a lagrangian numerical code developed in Padova by C. Chiosi and collaborators (Carraro & Chiosi 1998), based on the classic algorithms Tree-code (Barnes & Hut 1986) and SPH (Lucy 1977), developed to study the formation of galactic systems. With this code, two models of formation of massive galaxies in cosmological context have been realized and are here discussed (Merlin & Chiosi 2006). Then, a first study on a fundamental phenomenon, often poorly investigated in numerical simulations - namely, the co-existence of different gaseous phases in the interstellar medium - is presented with another set of simulations, focusing on galaxies of intermediate-high mass (Merlin & Chiosi 2007). Finally EvoL, the new version of code Pd-Tsph, is presented and discussed. A number of numerical and physical issues have been modified and improved for this new release. After the results of some standard hydrodynamic tests carried out to test its performance, two test-simulations of galaxy formation are presented, this time focused on intermediate-low mass systems, close to the dwarf galaxies regime, but with different initial density. The three examples of numerical simulations discussed in this Thesis seem to suggest a possible trail to follow to build a coherent scenario of galaxy formation: while high density systems give life to a single burst of star formation largely independently of their mass, a small mass system can have a more complicated star formation history, if its density is sufficiently low. Future work will be the construction of a number of models in order to explore in detail the mass-density parameter space.

Gli obbiettivi di questa tesi sono due, strettamente interconnessi fra loro. Il primo, più prettamente astrofisico, è lo studio di un possibile scenario teorico per la formazione e l’evoluzione delle galassie in contesto cosmologico. Per fare questo, vista la grande complessità dei sistemi fisici in gioco, si è scelta la strada delle simulazioni numeriche. Il secondo scopo è quindi la costruzione di uno strumento adeguato a trattare il problema fisico in questione. Nella prima parte di questa tesi vengono riassunte dapprima le proprietà osservate delle galassie, soprattutto in termini di storia della formazione stellare e dell’assemblaggio della massa. A tale scopo, vengono brevemente presentati i risultati di numerose campagne di osservazione recenti, le quali sembrano suggerire un preciso andamento: le galassie più massicce si sono formate prima, e in minor tempo, di quelle meno massicce (downsizing, Bundy et al. 2006). Questo sembra contrastare decisamente con l‘attuale paradigma di formazione delle strutture in ambito cosmologico, che prevede la formazione di sistemi più grandi a partire dall’unione gerarchiaca di oggetti più piccoli. Come far convivere l’evidenza osservativa con l’impianto teorico è un problema ancora irrisolto. A masse molto piccole, nel regime delle cosiddette galassie nane, le storie di formazione stellare diventano poi estremamente varie e complesse, e sembrano richiedere la possibilità che singoli oggetti siano in grado di formare stelle in tempi differenti dopo l’intenso episodio iniziale, anche senza interagire con altri corpi. Vengono quindi esposte le basi dei modelli teorici di formazione delle galassie, mediante una panoramica sui principali processi fisici coinvolti: gravitazione, fluidodinamica, fenomeni di cooling e di heating, formazione stellare, feedback energetico e chimico. La seconda parte della tesi è dedicata alle simulazioni numeriche. Per prima cosa, viene presentato lo strumento di lavoro nella sua versione “base”: il Pd-Tsph, un codice numerico lagrangiano sviluppato a Padova da C. Chiosi e collaboratori (Carraro & Chiosi 1998), basato sui classici algoritmi Tree-code (Barnes & Hut 1986) e SPH (Lucy 1977), pensato e realizzato per lo studio della formazione di sistemi galattici. Con questo codice, due modelli di formazione di galassie massicce in ambiente cosmologico sono stati realizzati e vengono qui discussi (Merlin & Chiosi 2006). Un primo studio su un fenomeno fondamentale ma spesso poco studiato nell‘ambito delle simulazioni numeriche, ovvero la coesistenza di diverse fasi gassose nel mezzo interstellare, viene affrontato in un‘altro set di simulazioni riguardanti galassie di massa medio-alta (Merlin & Chiosi 2007). Infine, viene presentato EvoL, la nuova versione del codice Pd-Tsph, in cui vengono rivisti e migliorati numerosi aspetti sia tecnico-numerici che di modellizzazione fisica. Vengono presentati i risultati di alcuni test idrodinamici standard effettuati per testare il funzionamento del nuovo codice, seguiti da due nuove simulazioni-test, questa volta focalizzate su sistemi di massa medio-piccola, vicini al regime delle galassie nane, con diverse densità iniziali. I tre esempi di simulazioni numeriche presentati in questa tesi sembrano indicare una possibile strada da seguire nell’ambito di una possibile teoria generale di formazione delle galassie: mentre sistemi di alta densità iniziale danno vita a un unico burst di formazione stellare in modo essenzialmente indipendentemente dalla loro massa, oggetti di piccola massa possono avere una storia di formazione stellare più complicata, se la loro densità è sufficientemente bassa. Le prospettive di lavoro per il futuro prevedono la costruzione di un sufficientemente elevato numero di modelli per esplorare approfonditamente lo spazio dei parametri massa-densità.