ISM in numerical simulations: chemistry, energy feedbacks and related issues - numerical methods

La fisica del mezzo interstellare (ISM) e i relativi processi giocano un ruolo decisivo nella formazione e nell’evoluzione delle galassie. La descrizione del mezzo interstellare include molti fenomeni che interagiscono tra di loro, quali i feedback, le reazioni chimiche che vedono coinvolti atomi e molecole, la fisica delle polveri, i processi di raffreddamento e di riscaldamento e le interazione del mezzo con i fotoni e i raggi cosmici. Il processo che maggiormente influenza la star formation è il raffreddamento dovuto allo spettro rotovibrazionale delle molecole (H2, HD, CO) e allo spettro derivante dalla righe di struttura fine dei metalli. Dato che i processi precedentemente elencati prendono parte alla distruzione e alla formazione di tali molecole, è necessaria una descrizione accurata dei fenomeni presenti nel mezzo interstellare. In questo contesto abbiamo sviluppato un modello per lo studio del mezzo interstellare. Questo modello comprende un’ampia varietà di fenomeni, come ad esempio un network chimico dettagliato che include le species idrogenoidi (H, H+, H−, H2, H+ 2 ), l’elio e i suoi ioni (He, He+,He++), i metalli con i relativi ioni (C, C+, O, O+, Si, Si+, Fe, Fe+), le species che contengono il deuterio (D, D+, D−, D2, HD, HD+), ed infine le molecole che contengono il carbonio (CO, CH, CH+, CH2, CH+ 2 , CH3 and CH+ 3 ). Il modello di cooling adottato utilizza i metalli (e relativi ioni) e le molecole, considerando dove necessario un calcolo diretto dell’equilibrio statistico dei livelli atomici e molecolari. Inoltre le interazioni con la radiazione ultravioletta determinano il riscaldamento e la ionizzazione del gas. L’ultimo ingrediente sono le polveri che interagiscono con tutte le precedenti componenti, poiché la temperatura dei grani è determinata dalla radiazione che illumina il volume di gas considerato, inoltre le polveri catalizzano la formazione di molecole e contemporaneamente scaldano o raffreddano il mezzo a seconda delle condizioni in cui si trovano. Abbiamo anche introdotto la loro evoluzione considerando che grani di diverse dimensioni hanno una diversa influenza sui processi descritti. Tutti questi processi hanno una loro controparte negli algoritmi di un codice chiamato ROBO che è la rappresentazione numerica del modello proposto. Lo scopo principale di questo codice è quello di studiare il mezzo interstellare e l’interazione tra i fenomeni che lo caratterizzano. I risultati prodotti dal codice ROBO vengono inoltre utilizzati per descrivere l’evoluzione delle diverse fasi del mezzo interstellare all’interno di un codice evolutivo NB-TSPH. Questo codice ermette di studiare la formazione stellare nelle galassie durante la loro evoluzione su scala cosmologica. Inoltre le simulazioni di formazione ed evoluzione delle galassie su larga scala devono tenere conto di una varietà di specie chimiche che permettano la formazione delle molecole e degli atomi più importanti (H2, HD, CO e metalli). Tuttavia una descrizione troppo dettagliata di questi fenomeni riduce le prestazioni del codice NB-TSPH a livello computazionale. Siamo quindi costretti a sviluppare una strategia per ottimizzare il bilancio tra precisione algoritmica e velocità di tali algoritmi. Un approccio possibile è quello di creare un database precedente alla fase di esecuzione del codice NB-TSPH con un apposito codice chimico-fisico, cioè ROBO. Il database diventa quindi accessibile dal codice evolutivo durante la sua esecuzione, e la metodologia usata per interfacciare database e codice NB-TSPH fa utilizzo delle Reti Neurali Artificiali. In questa tesi discuteremo prima i vari fenomeni che agiscono all’interno del mezzo interstellare, poi introdurremmo il codice chimico ROBO e infine mostreremo alcuni risultati