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.

Recent observations of the distant Universe suggest that much of the stellar mass of bright galaxies was already in place at z > 1. This presents a challenge for models of galaxy formation because massive haloes are assembled late in the hierarchical clustering process intrinsic to the cold dark matter (CDM) cosmology. In this paper, we discuss a new implementation of the Durham semi-analytic model of galaxy formation in which feedback due to active galactic nuclei (AGN) is assumed to quench cooling flows in massive haloes. This mechanism naturally creates a break in the local galaxy luminosity function at bright magnitudes. The model is implemented within the Millennium N-body simulation. The accurate dark matter merger trees and large number of realizations of the galaxy formation process enabled by this simulation result in highly accurate statistics. After adjusting the values of the physical parameters in the model by reference to the properties of the local galaxy population, we investigate the evolution of the K-band luminosity and galaxy stellar mass functions. We calculate the volume-averaged star formation rate density of the Universe as a function of redshift and the way in which this is apportioned amongst galaxies of different mass. The model robustly predicts a substantial population of massive galaxies out to redshift z∼ 5 and a star formation rate density which rises at least out to z∼ 2 in objects of all masses. Although observational data on these properties have been cited as evidence for ‘antihierarchical’ galaxy formation, we find that when AGN feedback is taken into account, the fundamentally hierarchical CDM model provides a very good match to these observations.

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 investigate the spins and shapes of over a million dark matter haloes identified at z= 0 in the Millennium simulation. Our sample spans halo masses ranging from dwarf galaxies to rich galaxy clusters. The very large dynamic range of this Λ cold dark matter cosmological simulation enables the distribution of spins and shapes and their variation with halo mass and environment to be characterized with unprecedented precision. We compare results for haloes identified using three different algorithms, and investigate (and remove) biases in the estimate of angular momentum introduced both by the algorithm itself and by numerical effects. We introduce a novel halo definition called the TREE halo, based on the branches of the halo merger trees, which is more appropriate for comparison with real astronomical objects than the traditional ‘friends-of-friends’ and ‘spherical overdensity’ (SO) algorithms. We find that for this many objects, the traditional lognormal function is no longer an adequate description of the distribution, P(λ), of the dimensionless spin parameter λ, and we provide a different function that gives a better fit for TREE and SO haloes. The variation in spin with halo mass is weak but detectable, although the trend depends strongly on the halo definition used. For the entire population of haloes, we find median values of λmed= 0.0367–0.0429, depending on the definition of a halo. The haloes exhibit a range of shapes, with a preference for prolateness over oblateness. More-massive haloes tend to be less spherical and more prolate. We find that the more-spherical haloes have less coherent rotation in the median, and those closest to being spherical have a spin independent of mass (λmed≈ 0.033). The most-massive haloes have a spin independent of shape (λmed≈ 0.032). The majority of haloes have their angular momentum vector aligned with their minor axis and perpendicular to their major axis. We find a general trend for higher spin haloes to be more clustered, with a stronger effect for more-massive haloes. For galaxy cluster haloes, this can be larger than a factor of ∼2.

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 present a new version of the GALFORM semi-analytical model of galaxy formation. This brings together several previous developments of GALFORM into a single unified model, including a different initial mass function (IMF) in quiescent star formation and in starbursts, feedback from active galactic nuclei supressing gas cooling in massive halos, and a new empirical star formation law in galaxy disks based on their molecular gas content. In addition, we have updated the cosmology, introduced a more accurate treatment of dynamical friction acting on satellite galaxies, and updated the stellar population model. The new model is able to simultaneously explain both the observed evolution of the K-band luminosity function and stellar mass function, and the number counts and redshift distribution of sub-mm galaxies selected at 850 mu. This was not previously achieved by a single physical model within the LambdaCDM framework, but requires having an IMF in starbursts that is somewhat top-heavy. The new model is tested against a wide variety of observational data covering wavelengths from the far-UV to sub-mm, and redshifts from z=0 to z=6, and is found to be generally successful. These observations include the optical and near-IR luminosity functions, HI mass function, fraction of early type galaxies, Tully-Fisher, metallicity-luminosity and size-luminosity relations at z=0, as well as far-IR number counts, and far-UV luminosity functions at z ~ 3-6. [abridged]

We present six simulations of galactic stellar haloes formed by the tidal disruption of accreted dwarf galaxies in a fully cosmological setting. Our model is based on the Aquarius project, a suite of high-resolution N-body simulations of individual dark matter haloes. We tag subsets of particles in these simulations with stellar populations predicted by the galform semi-analytic model. Our method self-consistently tracks the dynamical evolution and disruption of satellites from high redshift. The luminosity function (LF) and structural properties of surviving satellites, which agree well with observations, suggest that this technique is appropriate. We find that accreted stellar haloes are assembled between 1 < z < 7 from less than five significant progenitors. These progenitors are old, metal-rich satellites with stellar masses similar to the brightest Milky Way dwarf spheroidals (107–108 M⊙). In contrast to previous stellar halo simulations, we find that several of these major contributors survive as self-bound systems to the present day. Both the number of these significant progenitors and their infall times are inherently stochastic. This results in great diversity among our stellar haloes, which amplifies small differences between the formation histories of their dark halo hosts. The masses (∼ 108–109 M⊙) and density/surface-brightness profiles of the stellar haloes (from 10 to 100 kpc) are consistent with expectations from the Milky Way and M31. Each halo has a complex structure, consisting of well-mixed components, tidal streams, shells and other subcomponents. This structure is not adequately described by smooth models. The central regions (<10 kpc) of our haloes are highly prolate (c/a∼ 0.3), although we find one example of a massive accreted thick disc. Metallicity gradients in our haloes are typically significant only where the halo is built from a small number of satellites. We contrast the ages and metallicities of halo stars with surviving satellites, finding broad agreement with recent observations.

Current models of galaxy formation predict satellite galaxies in groups and clusters that are redder than observed. We investigate the effect on the colours of satellite galaxies produced by the ram pressure stripping of their hot gaseous atmospheres as the satellites orbit within their parent halo. We incorporate a model of the stripping process based on detailed hydrodynamic simulations within the Durham semi-analytic model of galaxy formation. The simulations show that the environment in groups and clusters is less aggressive than previously assumed. The main uncertainty in the model is the treatment of gas expelled by supernovae. With reasonable assumptions for the stripping of this material, we find that satellite galaxies are able to retain a significant fraction of their hot gas for several Gigayears, thereby replenishing their reservoirs of cold, star forming gas and remaining blue for a relatively long period of time. A bimodal distribution of galaxy colours, similar to that observed in SDSS data, is established and the colours of the satellite galaxies are in good agreement with the data. In addition, our model naturally accounts for the observed dependence of satellite colours on environment, from small groups to high mass clusters.