Dynamics of multiphase gas

Das, Hitesh Kishore (2025): Dynamics of multiphase gas. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

The astrophysical gas filling the space in, around and between galaxies, like Interstellar (ISM), Circumgalactic (CGM) and Intracluster medium (ICM), is rarely uniform. Instead, it is often multiphase, comprised of co-existing hot, warm, and cold components, interacting with turbulence and magnetic fields. Understanding how the different components of the multiphase gas form, survive and get destroyed is essential for capturing the Baryon cycle in astrophysical systems like galaxies. This thesis investigates these questions through a combination of idealised simulations and subgrid model development. The large overdensities and small lengthscales of the cold gas make it prohibitively expensive to resolve the multiphase structure by increasing the simulation resolution. This necessitates the use of subgrid models to keep track of unresolved structure in a simulations. Such a subgrid model, in turn, requires a better understanding and a physical model of multiphase gas behaviour from idealised simulations. Toward that goal, first, we explore the role of magnetic fields in shaping the cold gas dynamics by conducting both turbulent radiative mixing layer (TRML) and turbulent box simulations with and without magnetic fields. We find that while magnetic fields suppress mixing in TRMLs, they have a limited effect in more realistic turbulent box simulation. In both cases, the morphology of cold gas becomes more filamentary when magnetic fields are present, though the overall growth rates remain comparable. Synthetic MgII absorption line profiles from the simulations match observational expectations in both regimes, while analysis of field topology reveals flux-freezing-driven amplification in the cold phase and tangled, fractal-like magnetic structures. Second, we present a novel subgrid framework, \textbf{MOGLI} (Model for Multiphase Gas using Multifluid Hydrodynamics), implemented within the multifluid \texttt{AREPO} code. The model accounts for drag, turbulent mixing, and cold gas growth using physically motivated prescriptions with minimal free parameters. We also propose two validated methods to estimate unresolved turbulent velocities, as part of the model. We rigorously test and validate the full and reduced version of the subgrid model against a suite of resolved single-fluid, multiphase, turbulent box simulations in \texttt{Athena++} as the benchmark. MOGLI reproduces key behaviours such as cold gas survival thresholds and enables simulations of multiphase astrophysical systems that would otherwise be computationally infeasible. Third, we investigate cold gas condensation and survival in an ISM-like environment using three-dimensional turbulent box simulations with radiative cooling. Unlike in the CGM or ICM, the hot (\(T \sim 10^4\,\mathrm{K}\)) and cold (\(T \sim 10^2\,\mathrm{K}\)) phases have comparable cooling timescales, hence allowing for cold gas condensation and growth to be simultaneously important. We identify three regimes: (i) turbulent cold gas condensation, (ii) externally seeded cloud survival without condensation, and (iii) cloud destruction without condensation. We propose a new condensation criterion based on the cooling time of compressed gas in the log-normal tail of the density distribution, which accurately delineates the condensation regime in our simulations. Our results show that in certain regions of parameter space, cold gas can only persist if introduced externally. We also highlight the stochastic and non-linear nature of multiphase dynamics in the ISM. Together, these studies deepen our understanding of how multiphase gas behaves in turbulent astrophysical environments, clarify the role of magnetic fields in cold gas evolution, and provide a physically grounded framework for incorporating cold gas into large-scale simulations of galaxies and their surroundings.

Abstract

Das astrophysikalische Gas, das den Raum in, um und in Galaxien ausfüllt, wie das interstellare (ISM), zirkumgalaktische (CGM) und Intracluster-Medium (ICM), ist selten einheitlich. Stattdessen ist es oft mehrphasig und besteht aus nebeneinander existierenden heißen, warmen und kalten Komponenten, die mit Turbulenzen und Magnetfeldern wechselwirken. Um den Baryonenzyklus in astrophysikalischen Systemen wie Galaxien zu erfassen, ist es wichtig zu verstehen, wie sich die verschiedenen Komponenten des mehrphasigen Gases bilden, überleben und zerstört werden. In dieser Arbeit werden diese Fragen durch eine Kombination aus idealisierten Simulationen und der Entwicklung von Untergittermodellen untersucht. Die großen Überdichten und kleinen Längenskalen des kalten Gases machen es unerschwinglich, die mehrphasige Struktur durch Erhöhung der Simulationsauflösung aufzulösen. Dies macht den Einsatz von Teilgittermodellen erforderlich, um die unaufgelöste Struktur in einer Simulation zu verfolgen. Ein solches Teilgittermodell wiederum erfordert ein besseres Verständnis und ein physikalisches Modell des Verhaltens von Mehrphasengasen aus idealisierten Simulationen. Zu diesem Zweck untersuchen wir zunächst die Rolle von Magnetfeldern bei der Gestaltung der Kaltgasdynamik, indem wir sowohl turbulente Strahlungsmischschichten (TRML) als auch turbulente Boxsimulationen mit und ohne Magnetfelder durchführen. Wir stellen fest, dass Magnetfelder die Vermischung in TRMLs unterdrücken, während sie in realistischeren turbulenten Boxsimulationen nur eine begrenzte Wirkung haben. In beiden Fällen wird die Morphologie des kalten Gases fadenförmiger, wenn Magnetfelder vorhanden sind, obwohl die Wachstumsraten insgesamt vergleichbar bleiben. Synthetische MgII-Absorptionslinienprofile aus den Simulationen stimmen in beiden Regimen mit den Beobachtungserwartungen überein, während die Analyse der Feldtopologie eine flussgefriergetriebene Verstärkung in der kalten Phase und verworrene, fraktalartige magnetische Strukturen offenbart. Zweitens stellen wir ein neuartiges Untergittermodell vor, \textbf{MOGLI} (Model for Multiphase Gas using Multifluid Hydrodynamics), das in den Multifluid-Code \texttt{AREPO} implementiert wurde. Das Modell berücksichtigt den Luftwiderstand, die turbulente Vermischung und das Wachstum kalter Gase durch physikalisch motivierte Vorschriften mit minimalen freien Parametern. Wir schlagen auch zwei validierte Methoden zur Schätzung der unaufgelösten turbulenten Geschwindigkeiten als Teil des Modells vor. Wir testen und validieren die vollständige und reduzierte Version des Untergittermodells anhand einer Reihe von aufgelösten, mehrphasigen, turbulenten Box Simulationen in \texttt{Athena++} als Benchmark. MOGLI reproduziert wichtige Verhaltensweisen wie die Überlebensschwellen kalter Gase und ermöglicht Simulationen mehrphasiger astrophysikalischer Systeme, die sonst rechnerisch undurchführbar wären. Drittens untersuchen wir die Kondensation und das Überleben kalter Gase in einer ISM-ähnlichen Umgebung mit Hilfe dreidimensionaler turbulenter Boxsimulationen mit Strahlungskühlung. Anders als im CGM oder ICM haben die heiße (\(T \sim 10^4\,\mathrm{K}\)) und die kalte (\(T \sim 10^2\,\mathrm{K}\)) Phase vergleichbare Abkühlungszeitskalen, so dass Kaltgaskondensation und -wachstum gleichzeitig von Bedeutung sein können. Wir identifizieren drei Regime: (i) turbulente Kaltgaskondensation, (ii) Überleben von Wolken ohne Kondensation und (iii) Zerstörung von Wolken ohne Kondensation. Wir schlagen ein neues Kondensationskriterium vor, das auf der Abkühlungszeit des komprimierten Gases im lognormalen Schwanz der Dichteverteilung basiert und das die Kondensationsregime in unseren Simulationen genau abgrenzt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass in bestimmten Regionen des Parameterraums kaltes Gas nur bestehen bleiben kann, wenn es von außen zugeführt wird. Wir unterstreichen auch die stochastische und nichtlineare Natur der Mehrphasendynamik im ISM. Zusammengenommen vertiefen diese Studien unser Verständnis davon, wie sich mehrphasiges Gas in turbulenten astrophysikalischen Umgebungen verhält, klären die Rolle von Magnetfeldern bei der Entwicklung von kaltem Gas und bieten einen physikalisch fundierten Rahmen für die Einbeziehung von kaltem Gas in großräumige Simulationen von Galaxien und ihrer Umgebung.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Computational Astrophysics, Circumgalactic medium, Galactic evolution
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 30. Juli 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Springel, Volker