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.

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.

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.