view Abstract Citations (1325) References (34) Co-Reads Similar Papers Volume Content Graphics Metrics Export Citation NASA/ADS ZEUS-2D: A Radiation Magnetohydrodynamics Code for Astrophysical Flows in Two Space Dimensions. I. The Hydrodynamic Algorithms and Tests Stone, James M. ; Norman, Michael L. Abstract A detailed description of ZEUS-2D, a numerical code for the simulation of fluid dynamical flows including a self-consistent treatment of the effects of magnetic fields and radiation transfer is presented. Attention is given to the hydrodynamic (HD) algorithms which form the foundation for the more complex MHD and radiation HD algorithms. The effect of self-gravity on the flow dynamics is accounted for by an iterative solution of the sparse-banded matrix resulting from discretizing the Poisson equation in multidimensions. The results of an extensive series of HD test problems are presented. A detailed description of the MHD algorithms in ZEUS-2D is presented. A new method of computing the electromotive force is developed using the method of characteristics (MOC). It is demonstrated through the results of an extensive series of MHD test problems that the resulting hybrid MOC-constrained transport method provides for the accurate evolution of all modes of MHD wave families. Publication: The Astrophysical Journal Supplement Series Pub Date: June 1992 DOI: 10.1086/191680 Bibcode: 1992ApJS...80..753S Keywords: Computational Astrophysics; Cosmic Plasma; Hydrodynamic Equations; Magnetohydrodynamic Flow; Self Consistent Fields; Computational Grids; Finite Difference Theory; Plasma Radiation; Poisson Equation; Radiative Transfer; Astrophysics; HYDRODYNAMICS; MAGNETOHYDRODYNAMICS: MHD; METHODS: NUMERICAL; RADIATIVE TRANSFER full text sources ADS | Related Materials (3) Described in: 1992ApJS...80..791S Described in: 1992ApJS...80..819S Source Software: 2013ascl.soft06014S

We describe results from a fully self-consistent three-dimensional hydrodynamical simulation of the formation of one of the first stars in the Universe. In current models of structure formation, dark matter initially dominates, and pregalactic objects form because of gravitational instability from small initial density perturbations. As they assemble via hierarchical merging, primordial gas cools through ro-vibrational lines of hydrogen molecules and sinks to the center of the dark matter potential well. The high-redshift analog of a molecular cloud is formed. As the dense, central parts of the cold gas cloud become self-gravitating, a dense core of approximately 100 M (where M is the mass of the Sun) undergoes rapid contraction. At particle number densities greater than 10(9) per cubic centimeter, a 1 M protostellar core becomes fully molecular as a result of three-body H2 formation. Contrary to analytical expectations, this process does not lead to renewed fragmentation and only one star is formed. The calculation is stopped when optical depth effects become important, leaving the final mass of the fully formed star somewhat uncertain. At this stage the protostar is accreting material very rapidly (approximately 10(-2) M year-1). Radiative feedback from the star will not only halt its growth but also inhibit the formation of other stars in the same pregalactic object (at least until the first star ends its life, presumably as a supernova). We conclude that at most one massive (M 1 M) metal-free star forms per pregalactic halo, consistent with recent abundance measurements of metal-poor galactic halo stars.

The analysis of complex multiphysics astrophysical simulations presents a unique and rapidly growing set of challenges: reproducibility, parallelization, and vast increases in data size and complexity chief among them. In order to meet these challenges, and in order to open up new avenues for collaboration between users of multiple simulation platforms, we present yt (available at http://yt.enzotools.org/), an open source, community-developed astrophysical analysis and visualization toolkit. Analysis and visualization with yt are oriented around physically relevant quantities rather than quantities native to astrophysical simulation codes. While originally designed for handling Enzo's structure adaptive mesh refinement (AMR) data, yt has been extended to work with several different simulation methods and simulation codes including Orion, RAMSES, and FLASH. We report on its methods for reading, handling, and visualizing data, including projections, multivariate volume rendering, multi-dimensional histograms, halo finding, light cone generation and topologically-connected isocontour identification. Furthermore, we discuss the underlying algorithms yt uses for processing and visualizing data, and its mechanisms for parallelization of analysis tasks.

view Abstract Citations (679) References (21) Co-Reads Similar Papers Volume Content Graphics Metrics Export Citation NASA/ADS ZEUS-2D: A Radiation Magnetohydrodynamics Code for Astrophysical Flows in Two Space Dimensions. II. The Magnetohydrodynamic Algorithms and Tests Stone, James M. ; Norman, Michael L. Abstract In this, the second of a series of three papers, we continue a detailed description of ZEUS-2D, a numerical code for the simulation of fluid dynamical flows in astrophysics including a self-consistent treatment of the effects of magnetic fields and radiation transfer. In this paper, we give a detailed description of the magnetohydrodynamical (MHD) algorithms in ZEUS-2D. The recently developed constrained transport (CT) algorithm is implemented for the numerical evolution of the components of the magnetic field for MHD simulations. This formalism guarantees the numerically evolved field components will satisfy the divergence-free constraint at all times. We find, however, that the method used to compute the electromotive forces must be chosen carefully to propagate accurately all modes of MHD wave families (in particular shear Alfvén waves). A new method of computing the electromotive force is developed using the method of characteristics (MOC). It is demonstrated through the results of an extensive series of MHD test problems that the resulting hybrid MOC-CT method provides for the accurate evolution of all modes of MHD wave families. Publication: The Astrophysical Journal Supplement Series Pub Date: June 1992 DOI: 10.1086/191681 Bibcode: 1992ApJS...80..791S Keywords: HYDRODYNAMICS; MAGNETOHYDRODYNAMICS: MHD; METHODS: NUMERICAL; RADIATIVE TRANSFER full text sources ADS | Related Materials (3) Described in: 1992ApJS...80..753S Described in: 1992ApJS...80..819S Source Software: 2013ascl.soft06014S

This paper describes the open-source code Enzo, which uses block-structured adaptive mesh refinement to provide high spatial and temporal resolution for modeling astrophysical fluid flows. The code is Cartesian, can be run in 1, 2, and 3 dimensions, and supports a wide variety of physics including hydrodynamics, ideal and non-ideal magnetohydrodynamics, N-body dynamics (and, more broadly, self-gravity of fluids and particles), primordial gas chemistry, optically-thin radiative cooling of primordial and metal-enriched plasmas (as well as some optically-thick cooling models), radiation transport, cosmological expansion, and models for star formation and feedback in a cosmological context. In addition to explaining the algorithms implemented, we present solutions for a wide range of test problems, demonstrate the code's parallel performance, and discuss the Enzo collaboration's code development methodology.

We present results of large-scale three-dimensional simulations of supersonic Euler turbulence with the piecewise parabolic method and multiple grid resolutions up to 20483 points. Our numerical experiments describe nonmagnetized driven turbulent flows with an isothermal equation of state and an rms Mach number of 6. We discuss numerical resolution issues and demonstrate convergence, in a statistical sense, of the inertial range dynamics in simulations on grids larger than 5123 points. The simulations allowed us to measure the absolute velocity scaling exponents for the first time. The inertial range velocity scaling in this strongly compressible regime deviates substantially from the incompressible Kolmogorov laws. The slope of the velocity power spectrum, for instance, is -1.95 compared to -5/3 in the incompressible case. The exponent of the third-order velocity structure function is 1.28, while in incompressible turbulence it is known to be unity. We propose a natural extension of Kolmogorov's phenomenology that takes into account compressibility by mixing the velocity and density statistics and preserves the Kolmogorov scaling of the power spectrum and structure functions of the density-weighted velocity υ ≡ ρ1/3u. The low-order statistics of υ appear to be invariant with respect to changes in the Mach number. For instance, at Mach 6 the slope of the power spectrum of υ is -1.69, and the exponent of the third-order structure function of υ is unity. We also directly measure the mass dimension of the "fractal" density distribution in the inertial subrange, Dm ≈ 2.4, which is similar to the observed fractal dimension of molecular clouds and agrees well with the cascade phenomenology.

We have simulated the formation of an X-ray cluster in a cold dark matter universe using 12 different codes. The codes span the range of numerical techniques and implementations currently in use, including smoothed particle hydrodynamics (SPH) and grid methods with fixed, deformable, or multilevel meshes. The goal of this comparison is to assess the reliability of cosmological gasdynamical simulations of clusters in the simplest astrophysically relevant case, that in which the gas is assumed to be nonradiative. We compare images of the cluster at different epochs, global properties such as mass, temperature and X-ray luminosity, and radial profiles of various dynamical and thermodynamical quantities. On the whole, the agreement among the various simulations is gratifying, although a number of discrepancies exist. Agreement is best for properties of the dark matter and worst for the total X-ray luminosity. Even in this case, simulations that adequately resolve the core radius of the gas distribution predict total X-ray luminosities that agree to within a factor of 2. Other quantities are reproduced to much higher accuracy. For example, the temperature and gas mass fraction within the virial radius agree to within about 10%, and the ratio of specific dark matter kinetic to gas thermal energies agree to within about 5%. Various factors, including differences in the internal timing of the simulations, contribute to the spread in calculated cluster properties. Based on the overall consistency of results, we discuss a number of general properties of the cluster we have modeled.

By definition, Population III stars are metal-free, and their protostellar collapse is driven by molecular hydrogen cooling in the gas phase, leading to large characteristic masses. Population II stars with lower characteristic masses form when the star-forming gas reaches a critical metallicity of 10−6–10−3.5 Z☉. We present an adaptive mesh refinement radiation hydrodynamics simulation that follows the transition from Population III to Population II star formation. The maximum spatial resolution of 1 comoving parsec allows for individual molecular clouds to be well resolved and their stellar associations to be studied in detail. We model stellar radiative feedback with adaptive ray tracing. A top-heavy initial mass function for the Population III stars is considered, resulting in a plausible distribution of pair-instability supernovae and associated metal enrichment. We find that the gas fraction recovers from 5% to nearly the cosmic fraction in halos with merger histories rich in halos above 107 M☉. A single pair-instability supernova is sufficient to enrich the host halo to a metallicity floor of 10−3 Z☉ and to transition to Population II star formation. This provides a natural explanation for the observed floor on damped Lyα systems metallicities reported in the literature, which is of this order. We find that stellar metallicities do not necessarily trace stellar ages, as mergers of halos with established stellar populations can create superpositions of t−Z evolutionary tracks. A bimodal metallicity distribution is created after a starburst occurs when the halo can cool efficiently through atomic line cooling.

Starlight from galaxies plays a pivotal role throughout the process of cosmic reionisation. We present the statistics of dwarf galaxy properties at z > 7 in haloes with masses up to 10^9 solar masses, using a cosmological radiation hydrodynamics simulation that follows their buildup starting with their Population III progenitors. We find that metal-enriched star formation is not restricted to atomic cooling ($T_{\rm vir} \ge 10^4$ K) haloes, but can occur in haloes down to masses ~10^6 solar masses, especially in neutral regions. Even though these smallest galaxies only host up to 10^4 solar masses of stars, they provide nearly 30 per cent of the ionising photon budget. We find that the galaxy luminosity function flattens above M_UV ~ -12 with a number density that is unchanged at z < 10. The fraction of ionising radiation escaping into the intergalactic medium is inversely dependent on halo mass, decreasing from 50 to 5 per cent in the mass range $\log M/M_\odot = 7.0-8.5$. Using our galaxy statistics in a semi-analytic reionisation model, we find a Thomson scattering optical depth consistent with the latest Planck results, while still being consistent with the UV emissivity constraints provided by Ly$\alpha$ forest observations at z = 4-6.

We introduce the AGORA project, a comprehensive numerical study of well-resolved galaxies within the LCDM cosmology. Cosmological hydrodynamic simulations with force resolutions of ~100 proper pc or better will be run with a variety of code platforms to follow the hierarchical growth, star formation history, morphological transformation, and the cycle of baryons in and out of 8 galaxies with halo masses M_vir ~= 1e10, 1e11, 1e12, and 1e13 Msun at z=0 and two different ("violent" and "quiescent") assembly histories. The numerical techniques and implementations used in this project include the smoothed particle hydrodynamics codes GADGET and GASOLINE, and the adaptive mesh refinement codes ART, ENZO, and RAMSES. The codes will share common initial conditions and common astrophysics packages including UV background, metal-dependent radiative cooling, metal and energy yields of supernovae, and stellar initial mass function. These are described in detail in the present paper. Subgrid star formation and feedback prescriptions will be tuned to provide a realistic interstellar and circumgalactic medium using a non-cosmological disk galaxy simulation. Cosmological runs will be systematically compared with each other using a common analysis toolkit, and validated against observations to verify that the solutions are robust - i.e., that the astrophysical assumptions are responsible for any success, rather than artifacts of particular implementations. The goals of the AGORA project are, broadly speaking, to raise the realism and predictive power of galaxy simulations and the understanding of the feedback processes that regulate galaxy "metabolism." The proof-of-concept dark matter-only test of the formation of a galactic halo with a z=0 mass of M_vir ~= 1.7e11 Msun by 9 different versions of the participating codes is also presented to validate the infrastructure of the project.