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.

Genesis of Binary Stars Numerical simulations of collapsing clouds of primordial gas indicate that the first luminous objects to form in the universe were isolated massive stars. Turk et al. (p. 601 , published online 9 July) now show that it is possible for single primordial clouds to break up into two dense cores. Three-dimensional calculations, which follow the evolution of primordial gas (composed of hydrogen and helium, with traces of deuterium and lithium) and dark matter starting from realistic, cosmological initial conditions, suggest that these cores may evolve to form binary star systems.

We present the Grackle chemistry and cooling library for astrophysical simulations and models. Grackle provides a treatment of non-equilibrium primordial chemistry and cooling for H, D, and He species, including H2 formation on dust grains; tabulated primordial and metal cooling; multiple UV background models; and support for radiation transfer and arbitrary heat sources. The library has an easily implementable interface for simulation codes written in C, C++, and Fortran as well as a Python interface with added convenience functions for semi-analytical models. As an open-source project, Grackle provides a community resource for accessing and disseminating astrochemical data and numerical methods. We present the full details of the core functionality, the simulation and Python interfaces, testing infrastructure, performance, and range of applicability. Grackle is a fully open-source project and new contributions are welcome.

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.

Abstract Over the next decade, the astronomical community will be commissioning multiple wide-field observatories well suited for studying stellar halos in both integrated light and resolved stars. In preparation for this, we use five high-resolution cosmological simulations of Milky Way–like galaxies from the FOGGIE suite to explore the properties and components of stellar halos. These simulations are run with high time (5 Myr) and stellar mass (1000 M ⊙ ) resolution to better model the properties and origins of low-density regions like stellar halos. We find that the FOGGIE stellar halos have masses, metallicity gradients, and surface brightness profiles that are consistent with observations. In agreement with other simulations, the FOGGIE stellar halos receive 30%–40% of their mass from in situ stars. However, this population is more centrally concentrated in the FOGGIE simulations and therefore does not contribute excess light to the halo outskirts. The remaining stars are accreted from ∼10–50 other galaxies, with the majority of the accreted mass originating in two to four galaxies. While the inner halo ( r < 50 kpc) of each FOGGIE galaxy has a large number of contributors, the halo outskirts of three of the five galaxies are primarily made up of stars from only a few contributors. We predict that upcoming wide-field observatories, like the Nancy Grace Roman Space Telescope, will probe stellar halos around Milky Way–like galaxies out to ∼100 kpc in integrated light and will be able to distinguish the debris of dwarf galaxies with extended star formation histories from the underlying halo with resolved color–magnitude diagrams.