We introduce the Virgo Consortium's EAGLE project, a suite of hydrodynamical simulations that follow the formation of galaxies and black holes in representative volumes. We discuss the limitations of such simulations in light of their finite resolution and poorly constrained subgrid physics, and how these affect their predictive power. One major improvement is our treatment of feedback from massive stars and AGN in which thermal energy is injected into the gas without the need to turn off cooling or hydrodynamical forces, allowing winds to develop without predetermined speed or mass loading factors. Because the feedback efficiencies cannot be predicted from first principles, we calibrate them to the z~0 galaxy stellar mass function and the amplitude of the galaxy-central black hole mass relation, also taking galaxy sizes into account. The observed galaxy mass function is reproduced to $\lesssim 0.2$ dex over the full mass range, $10^8 < M_*/M_\odot \lesssim 10^{11}$, a level of agreement close to that attained by semi-analytic models, and unprecedented for hydrodynamical simulations. We compare our results to a representative set of low-redshift observables not considered in the calibration, and find good agreement with the observed galaxy specific star formation rates, passive fractions, Tully-Fisher relation, total stellar luminosities of galaxy clusters, and column density distributions of intergalactic CIV and OVI. While the mass-metallicity relations for gas and stars are consistent with observations for $M_* \gtrsim 10^9 M_\odot$, they are insufficiently steep at lower masses. The gas fractions and temperatures are too high for clusters of galaxies, but for groups these discrepancies can be resolved by adopting a higher heating temperature in the subgrid prescription for AGN feedback. EAGLE constitutes a valuable new resource for studies of galaxy formation.

We present results from thirteen cosmological simulations that explore the parameter space of the "Evolution and Assembly of GaLaxies and their Environments" (EAGLE) simulation project. Four of the simulations follow the evolution of a periodic cube L = 50 cMpc on a side, and each employs a different subgrid model of the energetic feedback associated with star formation. The relevant parameters were adjusted so that the simulations each reproduce the observed galaxy stellar mass function at z = 0.1. Three of the simulations fail to form disc galaxies as extended as observed, and we show analytically that this is a consequence of numerical radiative losses that reduce the efficiency of stellar feedback in high-density gas. Such losses are greatly reduced in the fourth simulation - the EAGLE reference model - by injecting more energy in higher density gas. This model produces galaxies with the observed size distribution, and also reproduces many galaxy scaling relations. In the remaining nine simulations, a single parameter or process of the reference model was varied at a time. We find that the properties of galaxies with stellar mass

The Local Group of galaxies offer some of the most discriminating tests of models of cosmic structure formation. For example, observations of the Milky Way (MW) and Andromeda satellite populations appear to be in disagreement with N-body simulations of the "Lambda Cold Dark Matter" ({\Lambda}CDM) model: there are far fewer satellite galaxies than substructures in cold dark matter halos (the "missing satellites" problem); dwarf galaxies seem to avoid the most massive substructures (the "too-big-to-fail" problem); and the brightest satellites appear to orbit their host galaxies on a thin plane (the "planes of satellites" problem). Here we present results from APOSTLE (A Project Of Simulating The Local Environment), a suite of cosmological hydrodynamic simulations of twelve volumes selected to match the kinematics of the Local Group (LG) members. Applying the Eagle code to the LG environment, we find that our simulations match the observed abundance of LG galaxies, including the satellite galaxies of the MW and Andromeda. Due to changes to the structure of halos and the evolution in the LG environment, the simulations reproduce the observed relation between stellar mass and velocity dispersion of individual dwarf spheroidal galaxies without necessitating the formation of cores in their dark matter profiles. Satellite systems form with a range of spatial anisotropies, including one similar to that of the MW, confirming that such a configuration is not unexpected in {\Lambda}CDM. Finally, based on the observed velocity dispersion, size, and stellar mass, we provide new estimates of the maximum circular velocity for the halos of nine MW dwarf spheroidals.

We present the public data release of halo and galaxy catalogues extracted from the EAGLE suite of cosmological hydrodynamical simulations of galaxy formation. These simulations were performed with an enhanced version of the GADGET code that includes a modified hydrodynamics solver, time-step limiter and subgrid treatments of baryonic physics, such as stellar mass loss, element-by-element radiative cooling, star formation and feedback from star formation and black hole accretion. The simulation suite includes runs performed in volumes ranging from 25 to 100 comoving megaparsecs per side, with numerical resolution chosen to marginally resolve the Jeans mass of the gas at the star formation threshold. The free parameters of the subgrid models for feedback are calibrated to the redshift z=0 galaxy stellar mass function, galaxy sizes and black hole mass - stellar mass relation. The simulations have been shown to match a wide range of observations for present-day and higher-redshift galaxies. The raw particle data have been used to link galaxies across redshifts by creating merger trees. The indexing of the tree produces a simple way to connect a galaxy at one redshift to its progenitors at higher redshift and to identify its descendants at lower redshift. In this paper we present a relational database which we are making available for general use. A large number of properties of haloes and galaxies and their merger trees are stored in the database, including stellar masses, star formation rates, metallicities, photometric measurements and mock gri images. Complex queries can be created to explore the evolution of more than 10^5 galaxies, examples of which are provided in appendix. (abridged)

We examine the circular velocity profiles of galaxies in {\Lambda}CDM cosmological hydrodynamical simulations from the EAGLE and LOCAL GROUPS projects and compare them with a compilation of observed rotation curves of galaxies spanning a wide range in mass. The shape of the circular velocity profiles of simulated galaxies varies systematically as a function of galaxy mass, but shows remarkably little variation at fixed maximum circular velocity. This is especially true for low-mass dark matter-dominated systems, reflecting the expected similarity of the underlying cold dark matter haloes. This is at odds with observed dwarf galaxies, which show a large diversity of rotation curve shapes, even at fixed maximum rotation speed. Some dwarfs have rotation curves that agree well with simulations, others do not. The latter are systems where the inferred mass enclosed in the inner regions is much lower than expected for cold dark matter haloes and include many galaxies where previous work claims the presence of a constant density "core". The "cusp vs core" issue is thus better characterized as an "inner mass deficit" problem than as a density slope mismatch. For several galaxies the magnitude of this inner mass deficit is well in excess of that reported in recent simulations where cores result from baryon-induced fluctuations in the gravitational potential. We conclude that one or more of the following statements must be true: (i) the dark matter is more complex than envisaged by any current model; (ii) current simulations fail to reproduce the effects of baryons on the inner regions of dwarf galaxies; and/or (iii) the mass profiles of "inner mass deficit" galaxies inferred from kinematic data are incorrect.

We investigate the evolution of galaxy masses and star formation rates in the Evolution and Assembly of Galaxies and their Environment (eagle) simulations. These comprise a suite of hydrodynamical simulations in a Λ cold dark matter cosmogony with subgrid models for radiative cooling, star formation, stellar mass-loss and feedback from stars and accreting black holes. The subgrid feedback was calibrated to reproduce the observed present-day galaxy stellar mass function and galaxy sizes. Here, we demonstrate that the simulations reproduce the observed growth of the stellar mass density to within 20 per cent. The simulations also track the observed evolution of the galaxy stellar mass function out to redshift z = 7, with differences comparable to the plausible uncertainties in the interpretation of the data. Just as with observed galaxies, the specific star formation rates of simulated galaxies are bimodal, with distinct star forming and passive sequences. The specific star formation rates of star-forming galaxies are typically 0.2 to 0.5 dex lower than observed, but the evolution of the rates track the observations closely. The unprecedented level of agreement between simulation and data across cosmic time makes eagle a powerful resource to understand the physical processes that govern galaxy formation.

We investigate the internal structure and density profiles of haloes of mass 1010–1014 M⊙ in the Evolution and Assembly of Galaxies and their Environment (EAGLE) simulations. These follow the formation of galaxies in a Λ cold dark matter Universe and include a treatment of the baryon physics thought to be relevant. The EAGLE simulations reproduce the observed present-day galaxy stellar mass function, as well as many other properties of the galaxy population as a function of time. We find significant differences between the masses of haloes in the EAGLE simulations and in simulations that follow only the dark matter component. Nevertheless, haloes are well described by the Navarro–Frenk–White density profile at radii larger than ∼5 per cent of the virial radius but, closer to the centre, the presence of stars can produce cuspier profiles. Central enhancements in the total mass profile are most important in haloes of mass 1012–1013 M⊙, where the stellar fraction peaks. Over the radial range where they are well resolved, the resulting galaxy rotation curves are in very good agreement with observational data for galaxies with stellar mass M* < 5 × 1010 M⊙. We present an empirical fitting function that describes the total mass profiles and show that its parameters are strongly correlated with halo mass.

Feedback from energy liberated by gas accretion onto black holes (BHs) is an attractive mechanism to explain the exponential cut-off at the massive end of the galaxy stellar mass function (SMF). Semi-analytic models of galaxy formation in which this form of feedback is assumed to suppress cooling in haloes where the gas cooling time is large compared to the dynamical time do indeed achieve a good match to the observed SMF. Furthermore, hydrodynamic simulations of individual halos in which gas is assumed to accrete onto the central BH at the Bondi rate have shown that a self-regulating regime is established in which the BH grows just enough to liberate an amount of energy comparable to the thermal energy of the halo. However, this process is efficient at suppressing the growth not only of massive galaxies but also of galaxies like the Milky Way, leading to disagreement with the observed SMF. The Bondi accretion rate, however, is inappropriate when the accreting material has angular momentum. We present an improved accretion model that takes into account the circularisation and subsequent viscous transport of infalling material and include it as a "subgrid" model in hydrodynamic simulations of the evolution of halos with a wide range of masses. The resulting accretion rates are generally low in low mass ($\lsim 10^{11.5} \msun$) halos, but show outbursts of Eddington-limited accretion during galaxy mergers. During outbursts these objects strongly resemble quasars. In higher mass haloes, gas accretion occurs continuously, typically at $~10$ % of the Eddington rate, which is conducive to the formation of radio jets. The resulting dependence of the accretion behaviour on halo mass induces a break in the relation between galaxy stellar mass and halo mass in these simulations that matches observations.

Galaxies fall into two clearly distinct types: 'blue-sequence' galaxies which are rapidly forming young stars, and 'red-sequence' galaxies in which star formation has almost completely ceased. Most galaxies more massive than 3 × 1010 M⊙ follow the red sequence, while less massive central galaxies lie on the blue sequence. We show that these sequences are created by a competition between star formation-driven outflows and gas accretion on to the supermassive black hole at the galaxy's centre. We develop a simple analytic model for this interaction. In galaxies less massive than 3 × 1010 M⊙, young stars and supernovae drive a high-entropy outflow which is more buoyant than any tenuous corona. The outflow balances the rate of gas inflow, preventing high gas densities building up in the central regions. More massive galaxies, however, are surrounded by an increasingly hot corona. Above a halo mass of ∼1012 M⊙, the outflow ceases to be buoyant and star formation is unable to prevent the build-up of gas in the central regions. This triggers a strongly non-linear response from the black hole. Its accretion rate rises rapidly, heating the galaxy's corona, disrupting the incoming supply of cool gas and starving the galaxy of the fuel for star formation. The host galaxy makes a transition to the red sequence, and further growth predominantly occurs through galaxy mergers. We show that the analytic model provides a good description of galaxy evolution in the EAGLE hydrodynamic simulations. So long as star formation-driven outflows are present, the transition mass scale is almost independent of subgrid parameter choice.

We calculate the colours and luminosities of redshift z = 0.1 galaxies from the EAGLE simulation suite using the GALAXEV population synthesis models. We take into account obscuration by dust in birth clouds and diffuse ISM using a two-component screen model, following the prescription of Charlot and Fall. We compare models in which the dust optical depth is constant to models where it depends on gas metallicity, gas fraction and orientation. The colours of EAGLE galaxies for the more sophisticated models are in broad agreement with those of observed galaxies. In particular, EAGLE produces a red sequence of passive galaxies and a blue cloud of star forming galaxies, with approximately the correct fraction of galaxies in each population and with g-r colours within 0.1 magnitudes of those observed. Luminosity functions from UV to NIR wavelengths differ from observations at a level comparable to systematic shifts resulting from a choice between Petrosian and Kron photometric apertures. Despite the generally good agreement there are clear discrepancies with observations. The blue cloud of EAGLE galaxies extends to somewhat higher luminosities than in the data, consistent with the modest underestimate of the passive fraction in massive EAGLE galaxies. There is also a moderate excess of bright blue galaxies compared to observations. The overall level of agreement with the observed colour distribution suggests that EAGLE galaxies at z = 0.1 have ages, metallicities and levels of obscuration that are comparable to those of observed galaxies.