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.

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.

Although galaxies, groups, and clusters contain ∼10% of the baryons, many more reside in the photoionized and shocked-heated intergalactic medium (IGM) and in the circumgalactic medium (CGM). We update the baryon census in the (H i) Lyα forest and warm-hot IGM (WHIM) at 105–6 K traced by O vi λ1032, 1038 absorption. From Enzo cosmological simulations of heating, cooling, and metal transport, we improve the H i and O vi baryon surveys using spatially averaged corrections for metallicity (Z/Z☉) and ionization fractions (fH i, fO vi). Statistically, the O vi correction product correlates with column density, (Z/Z☉)fO vi ≈ (0.015)(NO vi/1014 cm−2)0.70, with an NO vi-weighted mean of 0.01, which doubles previous estimates of WHIM baryon content. We also update the Lyα forest contribution to baryon density out to z = 0.4, correcting for the (1 + z)3 increase in absorber density, the (1 + z)4.4 rise in photoionizing background, and cosmological proper length dℓ/dz. We find substantial baryon fractions in the photoionized Lyα forest (28% ± 11%) and WHIM traced by O vi and broad-Lyα absorbers (25% ± 8%). The collapsed phase (galaxies, groups, clusters, CGM) contains 18% ± 4%, leaving an apparent baryon shortfall of 29% ± 13%. Our simulations suggest that ∼15% reside in hotter WHIM (T ⩾ 106 K). Additional baryons could be detected in weaker Lyα and O vi absorbers. Further progress requires higher-precision baryon surveys of weak absorbers, down to minimum column densities NH i ⩾ 1012.0 cm−2, NO vi ⩾ 1012.5 cm−2, NO vii ⩾ 1014.5 cm−2, using high signal-to-noise data from high-resolution UV and X-ray spectrographs.

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 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.

Assigning authorship and recognizing contributions to scholarly works is challenging on many levels. Here we discuss ethical, social, and technical challenges to the concept of authorship that may impede the recognition of contributions to a scholarly work. Recent work in the field of authorship shows that shifting to a more inclusive contributorship approach may address these challenges. Recent efforts to enable better recognition of contributions to scholarship include the development of the Contributor Role Ontology (CRO), which extends the CRediT taxonomy and can be used in information systems for structuring contributions. We also introduce the Contributor Attribution Model (CAM), which provides a simple data model that relates the contributor to research objects via the role that they played, as well as the provenance of the information. Finally, requirements for the adoption of a contributorship-based approach are discussed.

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.

Abstract Observations of supermassive black holes at high redshift challenge our understanding of the evolution of the first generation of black holes (BHs) in proto-galactic environments. One possibility is that they grow much more rapidly than current estimates of feedback and accretion efficiency permit. Following our previous analysis of super-Eddington accretion onto stellar-mass black holes in mini-haloes under no-feedback conditions, we now investigate whether this can be sustained when thermal feedback is included. We use four sets of cosmological simulations at sub-pc resolution with initial black hole masses varying from 1 × 103 M⊙ − 6 × 104 M⊙, exploring a range of feedback efficiencies. We also vary the feedback injection radius to probe the threshold of numerical overcooling. We find that super-Eddington growth sustained on the order of ∼$100 \, \rm kyr$ is possible with weak thermal feedback efficiency in all environments and moderate efficiency for two of the BHs. Trans-Eddington growth is possible for a 1 × 103 M⊙ − 6 × 103 M⊙ BH at moderate feedback efficiencies. We discuss the effectiveness of thermal feedback in heating the gas, suppressing accretion, and driving outflows at these parameter configurations. Our results suggest that super-Eddington growth may be possible in the presence of thermal feedback for black holes formed from the first stars.