We introduce the Illustris Project, a series of large-scale hydrodynamical simulations of galaxy formation. The highest resolution simulation, Illustris-1, covers a volume of (106.5舁Mpc)3, has a dark mass resolution of 6.26 × 106舁M⊙, and an initial baryonic matter mass resolution of 1.26 × 106舁M⊙. At z = 0 gravitational forces are softened on scales of 710舁pc, and the smallest hydrodynamical gas cells have an extent of 48舁pc. We follow the dynamical evolution of 2 × 18203 resolution elements and in addition passively evolve 18203 Monte Carlo tracer particles reaching a total particle count of more than 18 billion. The galaxy formation model includes: primordial and metal-line cooling with self-shielding corrections, stellar evolution, stellar feedback, gas recycling, chemical enrichment, supermassive black hole growth, and feedback from active galactic nuclei. Here we describe the simulation suite, and contrast basic predictions of our model for the present-day galaxy population with observations of the local universe. At z = 0 our simulation volume contains about 40舁000 well-resolved galaxies covering a diverse range of morphologies and colours including early-type, late-type and irregular galaxies. The simulation reproduces reasonably well the cosmic star formation rate density, the galaxy luminosity function, and baryon conversion efficiency at z = 0. It also qualitatively captures the impact of galaxy environment on the red fractions of galaxies. The internal velocity structure of selected well-resolved disc galaxies obeys the stellar and baryonic Tully–Fisher relation together with flat circular velocity curves. In the well-resolved regime, the simulation reproduces the observed mix of early-type and late-type galaxies. Our model predicts a halo mass dependent impact of baryonic effects on the halo mass function and the masses of haloes caused by feedback from supernova and active galactic nuclei.

We introduce an updated physical model to simulate the formation and evolution of galaxies in cosmological, large-scale gravity+magnetohydrodynamical simulations with the moving mesh code AREPO.The overall framework builds upon the successes of the Illustris galaxy formation model, and includes prescriptions for star formation, stellar evolution, chemical enrichment, primordial and metal-line cooling of the gas, stellar feedback with galactic outflows, and black hole formation, growth and multimode feedback.In this paper, we give a comprehensive description of the physical and numerical advances that form the core of the IllustrisTNG (The Next Generation) framework.We focus on the revised implementation of the galactic winds, of which we modify the directionality, velocity, thermal content and energy scalings, and explore its effects on the galaxy population.As described in earlier works, the model also includes a new black-hole-driven kinetic feedback at low accretion rates, magnetohydrodynamics and improvements to the numerical scheme.Using a suite of (25 Mpc h -1 ) 3 cosmological boxes, we assess the outcome of the new model at our fiducial resolution.The presence of a selfconsistently amplified magnetic field is shown to have an important impact on the stellar content of 10 12 M haloes and above.Finally, we demonstrate that the new galactic winds promise to solve key problems identified in Illustris in matching observational constraints and affecting the stellar content and sizes of the low-mass end of the galaxy population.

Hydrodynamical simulations of galaxy formation have now reached sufficient volume to make precision predictions for clustering on cosmologically relevant scales. Here we use our new IllustrisTNG simulations to study the non-linear correlation functions and power spectra of baryons, dark matter, galaxies and haloes over an exceptionally large range of scales. We find that baryonic effects increase the clustering of dark matter on small scales and damp the total matter power spectrum on scales up to k ~ 10 h/Mpc by 20%. The non-linear two-point correlation function of the stellar mass is close to a power-law over a wide range of scales and approximately invariant in time from very high redshift to the present. The two-point correlation function of the simulated galaxies agrees well with SDSS at its mean redshift z ~ 0.1, both as a function of stellar mass and when split according to galaxy colour, apart from a mild excess in the clustering of red galaxies in the stellar mass range 10^9-10^10 Msun/h^2. Given this agreement, the TNG simulations can make valuable theoretical predictions for the clustering bias of different galaxy samples. We find that the clustering length of the galaxy auto-correlation function depends strongly on stellar mass and redshift. Its power-law slope gamma is nearly invariant with stellar mass, but declines from gamma ~ 1.8 at redshift z=0 to gamma ~ 1.6 at redshift z ~ 1, beyond which the slope steepens again. We detect significant scale-dependencies in the bias of different observational tracers of large-scale structure, extending well into the range of the baryonic acoustic oscillations and causing nominal (yet fortunately correctable) shifts of the acoustic peaks of around ~5%.

The IllustrisTNG project is a new suite of cosmological magnetohydrodynamical simulations of galaxy formation performed with the arepo code and updated models for feedback physics. Here, we introduce the first two simulations of the series, TNG100 and TNG300, and quantify the stellar mass content of about 4000 massive galaxy groups and clusters (1013 ≤ M200c/M⊙ ≤ 1015) at recent times (z ≤ 1). The richest clusters have half of their total stellar mass bound to satellite galaxies, with the other half being associated with the central galaxy and the diffuse intracluster light. Haloes more massive than about 5 × 1014 M⊙ have more diffuse stellar mass outside 100 kpc than within 100 kpc, with power-law slopes of the radial mass density distribution as shallow as the dark matter's ( − 3.5 ≲ α3D ≲ −3). Total halo mass is a very good predictor of stellar mass, and vice versa: at z = 0, the 3D stellar mass measured within 30 kpc scales as ∝(M500c)0.49 with a ∼0.12 dex scatter. This is possibly too steep in comparison to the available observational constraints, even though the abundance of The Next Generation less-massive galaxies ( ≲ 1011 M⊙ in stars) is in good agreement with the measured galaxy stellar mass functions at recent epochs. The 3D sizes of massive galaxies fall too on a tight (∼0.16 dex scatter) power-law relation with halo mass, with |$r^{\rm stars}_{\rm 0.5} \propto (M_{\rm 200c})^{0.53}$|⁠. Even more fundamentally, halo mass alone is a good predictor for the whole stellar mass profiles beyond the inner few kiloparsecs, and we show how on average these can be precisely recovered given a single-mass measurement of the galaxy or its halo.

Previous simulations of the growth of cosmic structures have broadly reproduced the 'cosmic web' of galaxies that we see in the Universe, but failed to create a mixed population of elliptical and spiral galaxies due to numerical inaccuracies and incomplete physical models. Moreover, because of computational constraints, they were unable to track the small scale evolution of gas and stars to the present epoch within a representative portion of the Universe. Here we report a simulation that starts 12 million years after the Big Bang, and traces 13 billion years of cosmic evolution with 12 billion resolution elements in a volume of $(106.5\,{\rm Mpc})^3$. It yields a reasonable population of ellipticals and spirals, reproduces the distribution of galaxies in clusters and statistics of hydrogen on large scales, and at the same time the metal and hydrogen content of galaxies on small scales.

We introduce the first two simulations of the IllustrisTNG project, a next generation of cosmological magnetohydrodynamical simulations, focusing on the optical colours of galaxies. We explore TNG100, a rerun of the original Illustris box, and TNG300, which includes 2 × 25003 resolution elements in a volume 20 times larger. Here, we present first results on the galaxy colour bimodality at low redshift. Accounting for the attenuation of stellar light by dust, we compare the simulated (g − r) colours of 109 < M⋆/M⊙ < 1012.5 galaxies to the observed distribution from the Sloan Digital Sky Survey. We find a striking improvement with respect to the original Illustris simulation, as well as excellent quantitative agreement with the observations, with a sharp transition in median colour from blue to red at a characteristic M⋆ ∼ 1010.5 M⊙. Investigating the build-up of the colour–mass plane and the formation of the red sequence, we demonstrate that the primary driver of galaxy colour transition is supermassive black hole feedback in its low accretion state. Across the entire population the median colour transition time-scale Δtgreen is ∼1.6 Gyr, a value which drops for increasingly massive galaxies. We find signatures of the physical process of quenching: at fixed stellar mass, redder galaxies have lower star formation rates, gas fractions, and gas metallicities; their stellar populations are also older and their large-scale interstellar magnetic fields weaker than in bluer galaxies. Finally, we measure the amount of stellar mass growth on the red sequence. Galaxies with M⋆ > 1011 M⊙ which redden at z < 1 accumulate on average ∼25 per cent of their final z = 0 mass post-reddening; at the same time, ∼18 per cent of such massive galaxies acquire half or more of their final stellar mass while on the red sequence.

The distribution of elements in galaxies provides a wealth of information about their production sites and their subsequent mixing into the interstellar medium. Here we investigate the distribution of elements within stars in the IllustrisTNG simulations. In particular, we analyze the abundance ratios of magnesium and europium in Milky Way-like galaxies from the TNG100 simulation (stellar masses ${\log} (M_\star / {\rm M}_\odot) \sim 9.7 - 11.2$). As abundances of magnesium and europium for individual stars in the Milky Way are observed across a variety of spatial locations and metallicities, comparison with the stellar abundances in our more than $850$ Milky Way-like galaxies provides stringent constraints on our chemical evolutionary methods. To this end we use the magnesium to iron ratio as a proxy for the effects of our SNII and SNIa metal return prescription, and a means to compare our simulated abundances to a wide variety of galactic observations. The europium to iron ratio tracks the rare ejecta from neutron star -- neutron star mergers, the assumed primary site of europium production in our models, which in turn is a sensitive probe of the effects of metal diffusion within the gas in our simulations. We find that europium abundances in Milky Way-like galaxies show no correlation with assembly history, present day galactic properties, and average galactic stellar population age. In general, we reproduce the europium to iron spread at low metallicities observed in the Milky Way, with the level of enhancement being sensitive to gas properties during redshifts $z \approx 2-4$. We show that while the overall normalization of [Eu/Fe] is susceptible to resolution and post-processing assumptions, the relatively large spread of [Eu/Fe] at low [Fe/H] when compared to that at high [Fe/H] is very robust.

We present an overview of galaxy evolution across cosmic time in the Illustris Simulation. Illustris is an N-body/hydrodynamical simulation that evolves 2*1820^3 resolution elements in a (106.5Mpc)^3 box from cosmological initial conditions down to z=0 using the AREPO moving-mesh code. The simulation uses a state-of-the-art set of physical models for galaxy formation that was tuned to reproduce the z=0 stellar mass function and the history of the cosmic star-formation rate density. We find that Illustris successfully reproduces a plethora of observations of galaxy populations at various redshifts, for which no tuning was performed, and provide predictions for future observations. In particular, we discuss (a) the buildup of galactic mass, showing stellar mass functions and the relations between stellar mass and halo mass from z=7 to z=0, (b) galaxy number density profiles around massive central galaxies out to z=4, (c) the gas and total baryon content of both galaxies and their halos for different redshifts, and as a function of mass and radius, and (d) the evolution of galaxy specific star-formation rates up to z=8. In addition, we (i) present a qualitative analysis of galaxy morphologies from z=5 to z=0, for the stellar as well as the gaseous components, and their appearance in HST mock observations, (ii) follow galaxies selected at z=2 to their z=0 descendants, and quantify their growth and merger histories, and (iii) track massive z=0 galaxies to high redshift and study their joint evolution in star-formation activity and compactness. We conclude with a discussion of several disagreements with observations, and lay out possible directions for future research.

Abstract We present the full public release of all data from the TNG100 and TNG300 simulations of the IllustrisTNG project. IllustrisTNG is a suite of large volume, cosmological, gravo-magnetohydrodynamical simulations run with the moving-mesh code Arepo . TNG includes a comprehensive model for galaxy formation physics, and each TNG simulation self-consistently solves for the coupled evolution of dark matter, cosmic gas, luminous stars, and supermassive black holes from early time to the present day, $z=0$ z = 0 . Each of the flagship runs—TNG50, TNG100, and TNG300—are accompanied by halo/subhalo catalogs, merger trees, lower-resolution and dark-matter only counterparts, all available with 100 snapshots. We discuss scientific and numerical cautions and caveats relevant when using TNG. The data volume now directly accessible online is ∼750 TB, including 1200 full volume snapshots and ∼80,000 high time-resolution subbox snapshots. This will increase to ∼1.1 PB with the future release of TNG50. Data access and analysis examples are available in IDL, Python, and Matlab. We describe improvements and new functionality in the web-based API, including on-demand visualization and analysis of galaxies and halos, exploratory plotting of scaling relations and other relationships between galactic and halo properties, and a new JupyterLab interface. This provides an online, browser-based, near-native data analysis platform enabling user computation with local access to TNG data, alleviating the need to download large datasets.

The inefficiency of star formation in massive elliptical galaxies is widely believed to be caused by the interactions of an active galactic nucleus (AGN) with the surrounding gas. Achieving a sufficiently rapid reddening of moderately massive galaxies without expelling too many baryons has however proven difficult for hydrodynamical simulations of galaxy formation, prompting us to explore a new model for the accretion and feedback effects of supermassive black holes. For high-accretion rates relative to the Eddington limit, we assume that a fraction of the accreted rest mass energy heats the surrounding gas thermally, similar to the ‘quasar mode’ in previous work. For low-accretion rates, we invoke a new, pure kinetic feedback model that imparts momentum to the surrounding gas in a stochastic manner. These two modes of feedback are motivated both by theoretical conjectures for the existence of different types of accretion flows as well as recent observational evidence for the importance of kinetic AGN winds in quenching galaxies. We find that a large fraction of the injected kinetic energy in this mode thermalizes via shocks in the surrounding gas, thereby providing a distributed heating channel. In cosmological simulations, the resulting model produces red, non-star-forming massive elliptical galaxies, and achieves realistic gas fractions, black hole growth histories and thermodynamic profiles in large haloes.