German Title: Die Visualisierung des synthetischen Universums

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Abstract

Star formation cannot truly be understood from observational data alone; only with simulations is it possible to assemble the complete picture. Observations guide the physics we build into our simulations, yet the impact of different star formation and feedback models can only be investigated with simulations. Synthetic observations allow us to make a realistic comparison to true observations as well as teach us about the emission tracers we depend upon. Through coupling the stellar population synthesis code SLUG2 to galaxy simulations, we can generate synthetic star formation rate tracer maps. These maps assume different stellar metallicities, star formation rate surface densities, and suffer from varied amounts of extinction. This allows us to explore and constrain the environmental effects on the characteristic emission lifetimes — the duration for which a tracer is visible. With these emission lifetimes and in conjunction with a new statistical method, the ‘uncertainty principle for star formation’, constraints can be placed upon the durations of different evolutionary phases of the star formation process, allowing us to better understand the physics of star formation and feedback on sub-galactic scales. Studying the interstellar medium can also reveal information about stellar feedback: the gas density structure is altered as a result of the injected energy, momentum, and matter. Surveys of the CO emission in galaxies can tell us how the properties of this medium have evolved over cosmic time. Using DESPOTIC to model CO line emission of gas found within the IllustrisTNG50 cosmological simulation, we produce an equivalent synthetic survey. This synthetic survey can be used as a basis for comparison and predictor of observational trends.

Translation of abstract (German)

Sternentstehung kann anhand von Beobachtungen nicht komplett verstanden werden. Deshalb ist man auf Simulationen angewiesen, um dieses Bild zu vervollständigen. Beobachtungsdaten diktieren die Physik, die in Simulationen eingebaut wird, aber die Auswirkungen von verschiedener Sternentstehungs- und Rückkopplungsmodelle können ausschließlich durch Simulationen erkundet werden. Synthetische Beobachtungen erlauben einen realistischen Vergleich von Simulationen zu echten Beobachtungen und geben Auskunft über die Emission der Indikatoren von verschiedenen Evolutionsphasen des Sternentstehungprozesses. Durch die Kopplung des Sternpopulationssynthese-Codes SLUG2 und Simulationen von Galaxien können wir synthetische Karten bilden, welche die Emission der Indikatoren der Sternentstehungsrate anzeigen. Diese Karten nehmen verschiedene Sternmetallizitäten und Oberflächendichten der Sternentstehungsrate an. Außerdem erleiden sie unterschiedlich viel Extinktion. Mit diesen Karten erforschen und beschränken wir die Umweltauswirkungen auf die typische Lebensdauer der Emission — die Zeitspanne, während der Emission messbar ist. Die Lebensdauern der Emission zusammen mit der neuen statistischen Methode „uncertainty principle for star formation“ können die Dauer verschiedener Evolutionsphasen des Sternentstehungprozess beschränken. Dadurch erreichen wir ein besseres Verständnis der Physik der Sternentstehung und der Rückkopplung in den subgalaktischen Maßstäben. Durch das Studium des interstellaren Mediums gewinnt man auch Informationen über Rückkopplung: Die Dichtestruktur des Gases wird durch den Zustrom von Energie, Impuls und Materie verändert. Eine Durchmusterung nach CO-Emissionslinien in Galaxien (d.h. eine CO-Karte von einem Teil des Himmels) kann zeigen, wie die Eigenschaften des Mediums über die kosmische Zeit entwickelt haben. Mit DESPOTIC modellieren wir CO-Emissionslinien von Gas, das in der kosmologischen Simulation IllustrisTNG50 gefunden wird, und herstellen entsprechende synthetische CO-Karten des Simulationsvolumens. Diese synthetischen Karten können sowohl Vergleichsgrundlage als auch Prädiktor für empirischen Tendenzen verwendet werden.