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.

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 present the evolution of galaxy sizes, from redshift 2 to 0, for actively star forming and passive galaxies in the cosmological hydrodynamical 1003 cMpc3 simulation of the EAGLE project. We find that the sizes increase with stellar mass, but that the relation weakens with increasing redshift. Separating galaxies by their star formation activity, we find that passive galaxies are typically smaller than active galaxies at a fixed stellar mass. These trends are consistent with those found in observations and the level of agreement between the predicted and observed size–mass relations is of the order of 0.1 dex for z < 1 and 0.2–0.3 dex from redshift 1 to 2. We use the simulation to compare the evolution of individual galaxies with that of the population as a whole. While the evolution of the size–stellar mass relation for active galaxies provides a good proxy for the evolution of individual galaxies, the evolution of individual passive galaxies is not well represented by the observed size–mass relation due to the evolving number density of passive galaxies. Observations of z ∼ 2 galaxies have revealed an abundance of massive red compact galaxies, which depletes below z ∼ 1. We find that a similar population forms naturally in the simulation. Comparing these galaxies with their z = 0 descendants, we find that all compact galaxies grow in size due to the high-redshift stars migrating outwards. Approximately 60 per cent of the compact galaxies increase in size further due to renewed star formation and/or mergers.

The relation between galaxies and dark matter halos is of vital importance for evaluating theoretical predictions of structure formation and galaxy formation physics. We show that the widely used method of abundance matching based on dark matter only simulations fails at the low mass end because two of its underlying assumptions are broken: only a small fraction of low mass (below 10^9.5 solar masses) halos host a visible galaxy, and halos grow at a lower rate due to the effect of baryons. In this regime, reliance on dark matter only simulations for abundance matching is neither accurate nor self-consistent. We find that the reported discrepancy between observational estimates of the halo masses of dwarf galaxies and the values predicted by abundance matching does not point to a failure of LCDM, but simply to a failure to account for baryonic effects. Our results also imply that the Local Group contains only a few hundred observable galaxies in contrast with the thousands of faint dwarfs that abundance matching would suggest. We show how relations derived from abundance matching can be corrected, so that they can be used self-consistently to calibrate models of galaxy formation.