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nderstanding the formation mechanisms of compact objects from multi-dimensional stellar evolution history

Research Project

Project/Area Number 17H01130
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Research Field Particle/Nuclear/Cosmic ray/Astro physics
Research InstitutionFukuoka University

Principal Investigator

固武 慶  福岡大学, 理学部, 教授 (20435506)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 滝脇 知也  国立天文台, 理論研究部, 助教 (50507837)
梅田 秀之  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (60447357)
Project Period (FY) 2017-04-01 – 2021-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help
¥32,110,000 (Direct Cost: ¥24,700,000、Indirect Cost: ¥7,410,000)
Fiscal Year 2019: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000)
Fiscal Year 2018: ¥9,880,000 (Direct Cost: ¥7,600,000、Indirect Cost: ¥2,280,000)
Fiscal Year 2017: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000)
Keywords超新星爆発 / 多次元恒星進化 / スーパーコンピューティング / ニュートリノ / 輻射流体 / 中性子星 / 大質量星恒星進化 / ニュートリノ輻射流体力学 / 恒星進化 / 大質量星 / 多次元進化 / 燃焼流体力学 / ブラックホール / 重力波
Outline of Annual Research Achievements

大質量星の中心核の密度分布、重力集中度(コンパクトネス)は極限的高密度天体の形成メカニズムを決定づけるために本質的な役割を果たす。本年度は、既に出版・公開されている親星モデルを用いて、超新星爆発の多次元シミュレーションを実行するのと同時に、観測的に如何に中心核の構造に迫れるかを重点的に調べた。また、恒星進化の研究のハイライトとしては、連星の効果を含んだSN1987Aの親星モデルを構築したこと、さらに自転の効果まで含めた巨大質量星の超新星爆発(電子対生成不安定性駆動)の親星の構築に成功したことが挙げられる。
まず、本研究グループが進化計算を行った8.8太陽質量のO-Ne-Mgコアを持つモデルから75太陽質量までの大質量星を含む多数の親星モデルについて、超新星シミュレーションを系統的に実行し、ニュートリノ背景放射の評価を行った。本研究では、特にブラックホール形成を含む親星まで含め系統的に評価したことが特徴である。結果、ハイパーカミオカンデを含む次世代検出器をもってすれば、今後10年のタイムスケールで背景ニュートリノシグナルから、中性子星形成・ブラックホール形成の分岐を支配的に決めるコアの“コンパクトネス”に関する制限が得られることを指摘することができた。更に、コアバウンス時の反電子型ニュートリノシグナルの立ち上がりを詳細に解析することで、近傍の超新星に対しては、現在稼働中のスーパーカミオカンデを始めとする検出器によって、コンパクトネスに関する制限が得られることが明らかになった。
近傍超新星の中でこれまで最も詳細に観測されたSN1987Aの親星モデルの構築が急務であった。本年度の研究により、爆発前段階での青色巨星への時間進化や、化学組成など観測的特徴まで考慮した結果、14と9太陽質量の連星進化がSN1987Aの親星として最も整合性が高いことを世界に先駆けて指摘することができた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は、多次元の恒星進化計算に向けたコード開発を重点的に行った。超新星流体コードを改良し、まず星の二次元軸対称性(2D)を課したシミュレーションコードを開発し、シリコン層における核燃焼が駆動する対流の効果を調べることに着手した。流体コードとしては、これまでのHLLD法から数値拡散が少ないHLLC法に改良したうえで、核燃焼の効果を扱うために21核種のネットワークを流体コードにカップルさせることに成功した。技術的なアップデートとして、球対称1次元(1D)コードから2Dコードへデータをマップする際に平衡解に緩和するスキームを開発したことが挙げられる。シリコン層における核燃焼が良く発達するのは、燃焼核における酸素の含有量の多さに強く依存することが知られている。既に本年度において、太陽組成を持つ親星の1D進化計算を系統的に行い、18太陽質量から20太陽質量付近の親星において上記の条件が満たされていることが確認した。現在、これらの親星を用いた2D計算を実行中である。また、並列計算における最適化も行い次年度以降の3D計算へ向けたコードのチューニングも同時併行して進めている。
近年のブラックホール(BH)連星からの重力波検出を受けて、巨大質量星の重力崩壊とBH形成に至るまでの動的進化を明らかにするのが喫緊の課題になっている。本研究で得られたゼロ金属量を持つ70太陽質量の一般相対論的重力崩壊のシミュレーションを行い、フォールバックBH形成が起こることを示す結果を得た。これは従来、超新星の文脈では近似的なデモンストレーション的シミュレーションでのみその存在が指摘されていたものであった。本研究により精密なシミュレーションでこの機構に定量的に迫れたのが大きな成果と言える。今後は、上で述べた大質量星進化モデルに自転の効果や磁場の効果も含めることで、BH形成における自転・磁場の効果を調べる計画である。

Strategy for Future Research Activity

まず次年度は、「これまでの進捗状況」で述べた多次元進化計算の結果を論文としてまとめることを第一目標に据える。この論文には、1D進化計算の結果が他の研究グループの得た最新の1D進化モデルと整合性が良いことをまず提示することが重要である。一方で星の進化計算は数値分解能やネットワーク計算における核種数の違い、ニュートリノ反応率の違いによって定量的な違いが現れることが知られている。その点を踏まえ、まず1D進化計算において他グループとの詳細比較を行う。その上で、18~20太陽質量のレンジに注目して2D計算を系統的に行い対流が発達するモデルを選定し、最も発達したモデルを選んで計算コストが高い3Dモデルを実行し、2Dと3Dの恒星の多次元流体力学的進化を詳細に調べ、論文としてまとめる計画である。更にこれら多次元進化計算と1D進化計算を比較して、これまで1D計算で多次元性を扱うのに使われていた様々なパラメータ(混合長, オーバーシューティング)の妥当性を検討することも重要でこの点も詳しく調べる計画である。
上の研究と同時併行的に、得られた多次元進化モデルを初期条件として投網式に2D, 3Dの超新星シミュレーションを行う計画である。このパートは、極めて計算効率が高いニュートリノ輸送法IDSAにニュートリノ反応をアップデートした輻射流体コードとM1法を用いた一般相対論的輻射流体コードを適宜用いて実行する計画である。そうすることで、多様な大質量星における中性子星・ブラックホール形成の様子をスーパーコンピューター上で再現し、その動的進化過程を明らかにする計画である。爆発的元素合成の定量的評価を行い観測と比較することが重要で、更には爆発時に放射される重力波・ニュートリノシグナルの観測可能性も精査する計画である。今年度から次年度にかけて、これらの研究課題に関しても実行していく。

Report

(1 results)
  • 2017 Annual Research Report

Research Products

(50 results)

All 2018 2017 Other

All Int'l Joint Research Journal Article Presentation Remarks

  • [Int'l Joint Research] マックスプランク研究所/ダームシュタット工科大学(ドイツ)

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  • [Int'l Joint Research] ブロツワフ大学(ポーランド)

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  • [Int'l Joint Research] バージニア工科大学(アメリカ)

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  • [Journal Article] Impact of Neutrino Opacities on Core-collapse Supernova Simulations2018

    • Author(s)
      Kotake Kei , Takiwaki Tomoya , Fischer Tobias , Nakamura Ko , Martinez-Pinedo Gabriel
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 853 Pages: 170-170

    • DOI
      10.3847/1538-4357/aaa716
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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Intermediate-mass Elements in Young Supernova Remnants Reveal Neutron Star Kicks by Asymmetric Explosions2018

    • Author(s)
      Katsuda Satoru、Morii Mikio、Janka Hans-Thomas、Wongwathanarat Annop、Nakamura Ko、Kotake Kei、Mori Koji、M?ller Ewald、Takiwaki Tomoya、Tanaka Masaomi、Tominaga Nozomu、Tsunemi Hiroshi
    • Journal Title

      Intermediate-mass Elements in Young Supernova Remnants Reveal Neutron Star Kicks by Asymmetric Explosions

      Volume: 856 Pages: 1-18

    • DOI
      10.3847/1538-4357/aab092
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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Diffuse supernova neutrino background from extensive core-collapse simulations of 8-100 solar mass progenitors2018

    • Author(s)
      Horiuchi Shunsaku、Sumiyoshi Kohsuke、Nakamura Ko、Fischer Tobias、Summa Alexander、Takiwaki Tomoya、Janka Hans-Thomas、Kotake Kei
    • Journal Title

      Mon. Not. Roy. Astron. Soc.

      Volume: 475 Pages: 1363-1374

    • DOI
      10.1093/mnras/stx3271
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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Anisotropic emission of neutrino and gravitational-wave signals from rapidly rotating core-collapse supernovae2018

    • Author(s)
      Takiwaki Tomoya , Kotake Kei
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters

      Volume: 475

    • DOI
      10.1093/mnrasl/sly008
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      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A progenitor model of SN 1987A based on the slow-merger scenario2018

    • Author(s)
      Urushibata Takaki、Takahashi Koh、Umeda Hideyuki、Yoshida Takashi
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters

      Volume: 473

    • DOI
      10.1093/mnrasl/slx166
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      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Stellar Yields of Rotating First Stars. II. Pair-instability Supernovae and Comparison with Observations2018

    • Author(s)
      Takahashi Koh、Yoshida Takashi、Umeda Hideyuki
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 857 Pages: 111-111

    • DOI
      10.3847/1538-4357/aab95f
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      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] X-Ray Light Curve and Spectra of Shock Breakout in a Wind2018

    • Author(s)
      Ohtani Yukari、Suzuki Akihiro、Shigeyama Toshikazu、Tanaka Masaomi
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 853 Pages: 52-52

    • DOI
      10.3847/1538-4357/aaa482
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      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Properties of Kilonovae from Dynamical and Post-merger Ejecta of Neutron Star Mergers2018

    • Author(s)
      Tanaka, M., Kato, D., Gaigalas, G., Rynkun, P., Radziute, L., Wanajo, S., Sekiguchi, Y., Nakamura, N., Tanuma, H., Murakami, I., Sakaue, H. A.
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 852 Pages: 109-109

    • DOI
      10.3847/1538-4357/aaa0cb
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      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Probing mass-radius relation of protoneutron stars from gravitational-wave asteroseismology2017

    • Author(s)
      Sotani Hajime、Kuroda Takami、Takiwaki Tomoya、Kotake Kei
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 96 Pages: 063005-063005

    • DOI
      10.1103/physrevd.96.063005
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      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Estimating the core compactness of massive stars with Galactic supernova neutrinos2017

    • Author(s)
      Horiuchi Shunsaku , Nakamura Ko , Takiwaki Tomoya , Kotake Kei
    • Journal Title

      Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics

      Volume: 44 Pages: 114001-114001

    • DOI
      10.1088/1361-6471/aa8f1f
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      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Correlated Signatures of Gravitational-wave and Neutrino Emission in Three-dimensional General-relativistic Core-collapse Supernova Simulations2017

    • Author(s)
      Kuroda Takami , Kotake Kei , Hayama Kazuhiro , Takiwaki Tomoya
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 851 Pages: 1-12

    • DOI
      10.3847/1538-4357/aa988d
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      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Nucleosynthesis in 2D core-collapse supernovae of 11.2 and 17.0 solar mass progenitors: implications for Mo and Ru production2017

    • Author(s)
      Eichler M、Nakamura K、Takiwaki T、Kuroda T、Kotake K、Hempel M、Cabezon R、Liebendoerfer M、Thielemann F-K
    • Journal Title

      Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics

      Volume: 45 Pages: 014001-014001

    • DOI
      10.1088/1361-6471/aa8891
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      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Kilonova from post-merger ejecta as an optical and near-Infrared counterpart of GW1708172017

    • Author(s)
      Tanaka Masaomi , Utsumi Yousuke , Mazzali Paolo A. , Tominaga Nozomu , Yoshida Michitoshi , Sekiguchi Yuichiro , Morokuma Tomoki , Motohara Kentaro , Ohta Kouji , Kawabata Koji S. , et al.
    • Journal Title

      Publications of the Astronomical Society of Japan

      Volume: 69 Pages: 102-102

    • DOI
      10.1093/pasj/psx121
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      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Search for nucleon decay into charged antilepton plus meson in 0.316??megaton・years exposure of the Super-Kamiokande water Cherenkov detector2017

    • Author(s)
      Super-Kamiokande Collaboration
    • Journal Title

      Physical Review

      Volume: 96 Pages: 012003-012003

    • DOI
      10.1103/physrevd.96.012003
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      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Search for proton decay via p→e+π0 and p→μ+π0 in 0.31??megaton・years exposure of the Super-Kamiokande water Cherenkov detector2017

    • Author(s)
      Super-Kamiokande collaboration
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 95 Pages: 012004-012004

    • DOI
      10.1103/physrevd.95.012004
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      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 超新星からのマルチメッセンジャー2018

    • Author(s)
      固武 慶
    • Organizer
      第4回超新星ニュートリノ研究会
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    • Invited
  • [Presentation] ニュートリノで探る系内超新星親星のコア構造2018

    • Author(s)
      中村 航
    • Organizer
      第4回超新星ニュートリノ研究会
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ランキン-ユゴニオ関係でみる超新星の衝撃波復活機構2018

    • Author(s)
      滝脇知也
    • Organizer
      衝撃波研究会
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      2017 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] C01 progress report2018

    • Author(s)
      Tomoya Takiwaki
    • Organizer
      The first annual symposium of the innovative area "Gravitational Wave Physics and Astronomy: Genesis"
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ニュートリノ振動を考慮したニュートリノスペクトルの系統的研究2018

    • Author(s)
      滝脇知也
    • Organizer
      第4回超新星ニュートリノ研究会
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      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] Time domain astronomy and gravitational wave sources2018

    • Author(s)
      Masaomi Tanaka
    • Organizer
      CREST International Symposium on Big Data Application
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      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Core collapse of massive stars (11.2- 70Msun) and black-hole formation with 3DGR spectral neut2018

    • Author(s)
      Takami Kuroda
    • Organizer
      660. Wilhelm und Else Heraeus-Seminar, Germany
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      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Various GW emission mechanisms inside the SN core2018

    • Author(s)
      Takami Kuroda
    • Organizer
      GWASNe2018
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Nucleosynthesis in Ultra-Stripped Supernovae2018

    • Author(s)
      Takashi Yoshida
    • Organizer
      Physics of Core-Collapse Supernovae and Compact Star Formations
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 超新星起源プレソーラーグレインのケイ素同位体比と大質量星のC/He層におけるSi合成の可能性2018

    • Author(s)
      吉田敬
    • Organizer
      「惑星物質科学のフロンティア」研究会
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  • [Presentation] Gravitational wave signatures from multi-dimensional corecollapse supernova models2017

    • Author(s)
      Kei Kotake
    • Organizer
      GWPAW2017
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Correlation and Directionality of Multimessenger Signals in 3D Core-Collapse Supernova Models2017

    • Author(s)
      Kei Kotake
    • Organizer
      Workshop on the Progenitor-Supernova-Remnant Connection, Tegernsee, Germany
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Gravitational-waves Signals from Core-collapse Supernovae2017

    • Author(s)
      Kei Kotake
    • Organizer
      Wuhan GW workshop
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Multi-Messenger Probes into the Multi-D Supernova Neutrino Mechanism2017

    • Author(s)
      Kei Kotake
    • Organizer
      CoCoNuT meeting
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Neutron Star Kick induced by Aspherical Core-collapse Supernova Explosions2017

    • Author(s)
      Ko Nakamura
    • Organizer
      Physics of Core-Collapse Supernovae and Compact Star Formations
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Diagnosing the Structure of Massive Stars with Galactic Supernova Neutrinos2017

    • Author(s)
      Ko Nakamura
    • Organizer
      NuPhys2017: Prospects in Neutrino Physics
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      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Systematic features of core-collapse supernova based on multi-D simulations2017

    • Author(s)
      Ko Nakamura
    • Organizer
      Workshop on the Progenitor-Supernova-Remnant Connection
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Rotation aided neutrino driven explosion2017

    • Author(s)
      Tomoya Takiwaki
    • Organizer
      Workshop on The Progenitor-Supernova-Remnant Connection
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Supernovae Wars: Results of Comparison Project2017

    • Author(s)
      Tomoya Takiwaki
    • Organizer
      DTA workshop
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 超新星爆発の長時間計算,その前に2017

    • Author(s)
      滝脇知也
    • Organizer
      素粒子・原子核・宇宙「京からポスト京に向けて」シンポジウム
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    • Invited
  • [Presentation] Oblate Supernova Explosions Aided by Rotation2017

    • Author(s)
      Tomoya Takiwaki
    • Organizer
      Deciphering the violent universe
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Three dimensional simulations of rapidly rotating core-collapse supernovae2017

    • Author(s)
      Tomoya Takiwaki
    • Organizer
      Southern Horizons in Time-Domain Astronomy
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      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Kilonova Emission from Compact Binary Mergers: Opacities of Lanthanide-rich and Lanthanide-fre2017

    • Author(s)
      Masaomi Tanaka
    • Organizer
      Electromagnetic Signatures of r-process Nucleosynthesis in Neutron Star Binary Mergers
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Optical/NIR Follow-up Observations of Neutron Star Mergers2017

    • Author(s)
      Masaomi Tanaka
    • Organizer
      The Physics of Extreme-Gravity Stars
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 超新星背景ニュートリノ観測の現状と将来2017

    • Author(s)
      小汐由介
    • Organizer
      X線天体と元素合成を中心とする宇宙核物理研究会
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    • Invited
  • [Presentation] 天体ニュートリノ研究の現状と展望2017

    • Author(s)
      小汐由介
    • Organizer
      日本物理学会シンポジウム
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    • Invited
  • [Presentation] SK-Gd計画2017

    • Author(s)
      小汐由介
    • Organizer
      新学術領域・宇宙の歴史をひもとく地下素粒子原子核研究領域研究会
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    • Invited
  • [Presentation] Results in A032017

    • Author(s)
      Yusuke Koshio
    • Organizer
      Symposium on "New development in astrophysics through multi-messenger observations of gravitational wave sources".
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  • [Presentation] Recent experimental measurements of the Solar neutrinos with Cherenkov detectors2017

    • Author(s)
      Yusuke Koshio
    • Organizer
      Recent developments in neutrino physics and astrophysics
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Results and Prospects from Atmospheric and Solar Neutrinos2017

    • Author(s)
      Yusuke Koshio
    • Organizer
      19th international workshop on neutrinos from accelerators
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Super-K upgrade2017

    • Author(s)
      Yusuke Koshio
    • Organizer
      The first annual symposium of the innovative area "Gravitational Wave Physics and Astronomy: Genesis".
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Remarks] 基盤研究A 「大質量星の多次元進化から解き明かす爆発的コンパクト天体形成メカニズムの統一的解明」

    • URL
      https://sites.google.com/site/kibana17h01130/home
    • Related Report
      2017 Annual Research Report

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Published: 2017-04-28   Modified: 2019-07-17  

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