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高精度原始銀河団シミュレーションによる銀河形成と宇宙再電離研究の新展開

Research Project

Project/Area Number 21H04489
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 16:Astronomy and related fields
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

矢島 秀伸  筑波大学, 計算科学研究センター, 准教授 (10756357)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 松田 有一  国立天文台, アルマプロジェクト, 助教 (20647268)
井上 昭雄  早稲田大学, 理工学術院, 教授(任期付) (30411424)
児玉 忠恭  東北大学, 理学研究科, 教授 (80343101)
Project Period (FY) 2021-04-05 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2025)
Budget Amount *help
¥41,730,000 (Direct Cost: ¥32,100,000、Indirect Cost: ¥9,630,000)
Fiscal Year 2025: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
Fiscal Year 2024: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
Fiscal Year 2023: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000)
Fiscal Year 2022: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000)
Fiscal Year 2021: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000)
Keywords銀河形成 / 数値シミュレーション / 銀河団 / ダスト / 輻射輸送 / ブラックホール
Outline of Research at the Start

初期宇宙の銀河の密集領域は原始銀河団と呼ばれ、宇宙の超高密度領域に形成される。本研究では、大規模かつ高精度な宇宙論的流体シミュレーションによって、原始銀河団領域の銀河の形成 、進化、及び関連する物理メカニズムを明らかにする。特に、原始銀河団が形成され成熟していくまでの時代を3つに分け、(1)原始銀河団による宇宙再電離の始まり(赤方偏移6-10)、(2)爆発的星形成現象(赤方偏移3-6)、(3)銀河進化の多様性の起源(赤方偏移1-3)について調べる。そして、すばる望遠鏡HSC、アルマ望遠鏡を使った大規模な銀河サーベイ観測の結果と比較し、実証していく。

Outline of Annual Research Achievements

当該年度においては原始銀河団シミュレーション研究を引き続き推進し、特にジェームズウェッブ宇宙望遠鏡の最新データを用いた比較研究を行った。近年の観測により、赤方偏移7を超える遠方銀河の星形成率、星質量、サイズなどが明らかになりつつある。本研究では、高精度な宇宙論的銀河形成シミュレーションを用いて、星形成、フィードバック機構、サイズ変化などを調べた。結果として、原始銀河団と呼ばれる密度超過領域では、宇宙初期においても重いハローが形成され、ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡で観測可能な明るさになることが分かった。形成初期では、初代銀河は超新星爆発によるフィードバックで銀河スケールでのガスアウトフローを引き起こし、星形成が抑制される。その後、銀河合体とフィラメントを通したガス降着により、再びスターバーストが引き起こされることが分かった。赤方偏移10になると、星形成率は100太陽質量/年程度に達し、銀河中心の金属量が太陽近傍と同程度まで大きくなることを示した。そして、銀河合体の過程で、銀河のサイズは潮汐力により一時的に大きくなり、その後角運動量輸送によってコンパクト化することが分かった。観測では遠方銀河のサイズに大きな分散があることが分かってきたが、本研究の結果はこの分散が銀河合体で引き起こされることを示している。また、銀河中心が金属汚染される一方で、銀河間ガスから金属を持たない始原ガスが降着し、種族IIIの星団が銀河の外縁部で形成されることを示唆した。種族III星のトータルの星質量にたいする割合は銀河質量とともに減少し、星質量が10の7乗太陽質量を超えると数パーセント以下となることが分かった。近年、GN-z11という赤方偏移10を超える銀河が発見されており、同様に銀河外縁部に種族III星団と考えられる構造が発見された。本研究の計算はGN-z11を見事に再現している。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

高精度な宇宙論的輻射流体シミュレーションにより、原始銀河団領域の銀河形成、巨大ブラックホール形成、金属汚染、宇宙再電離に関して研究している。結果として、初期宇宙の大質量銀河形成、その中での星形成と銀河の形態、サイズについて定量的にモデル化し、観測との比較研究を行った。それによって、観測された遠方銀河の特徴について、理論的な解釈を提供し、それらを引き起こす物理メカニズムについて明らかにすることに成功している。それらの理論的研究はすでに査読付き雑誌に出版されている。また、ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡を用いた多くの観測的研究に関しても、シミュレーション結果を提供し、比較研究と理論的考察を推進している。これらに加えて、原始銀河団がある程度成熟した赤方偏移3程度の時代のメンバー銀河のフィードバックについても定量的に調べている。特に、超新星や活動銀河核によるフィードバックで引き起こされる銀河スケールのアウトフローを解析し、ガスや金属のアウトフロー、インフローについて調べた。結果として、ガス、金属のアウトフローとインフローの関係はハロー質量に依存しており、銀河間空間へ効率よく金属を輸送するハロー質量についても提案している。これらの理論モデルは、今後のすばる望遠鏡PFSによる吸収線観測にも重要な示唆を与える。将来的にはPFS観測と我々のモデルを比較することで、金属を含むアウトフローがどのような軌道を辿って銀河周囲に分布しているのかを明らかにすることが出来る。このように、本研究を通して最新観測と比較可能な銀河モデルを構築し、銀河の特徴を決める物理メカニズムの解明にも貢献している。したがって、概ね順調に研究は進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

これまで、初期宇宙の銀河形成における星形成、フィードバック、アウトフロー、クラスタリングについての理論的研究、そして観測との比較研究を行ってきた。さらに、鍵となる物理メカニズムを明らかにするためには、銀河内の詳細な構造、ガス雲の形成など、階層を超えた統一的モデル化が重要となる。観測的にも、ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡、アルマ望遠鏡の観測により、遠方銀河内の構造が100パーセクスケールの分解能で明らかになりつつある。今後は、より高精度なシミュレーションによって、銀河内の構造を詳細に解き、観測と比較しつつ、星形成やフィードバック、銀河構造を決定する物理メカニズムを明らかにしていく。加えて、シミュレーションでそれら物理メカニズムを反映する連続波、輝線の観測特性についても多波長輻射輸送計算によってモデル化していく。ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡の高感度な分光観測によって赤方偏移10を超える遠方銀河においても、数多くの水素、ヘリウム、金属の輝線が検出されている。その中には、窒素量が酸素に比べて異常に高い銀河が発見されており、その原因はよく分かっていない。これら、最新観測で浮かび上がってきた謎に対しても、高精度な銀河形成シミュレーションと模擬観測データの作成によって比較研究を可能にし、窒素過剰の原因を含め物理プロセス、星間ガスの多相構造を明らかにする。

Report

(4 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (57 results)

All 2024 2023 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (9 results) Journal Article (24 results) (of which Int'l Joint Research: 18 results,  Peer Reviewed: 24 results,  Open Access: 16 results) Presentation (24 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 8 results)

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    • Author(s)
      Xu Yi, Ouchi Masami, Isobe Yuki, Mawatari Ken, et al.
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 961 Issue: 1 Pages: 49-49

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ad06ab

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  • [Journal Article] Three-dimensional radiation hydrodynamics simulations of wandering intermediate-mass black holes considering the anisotropic radiation and dust sublimation2024

    • Author(s)
      Ogata Erika、Ohsuga Ken、Fukushima Hajime、Yajima Hidenobu
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 528 Issue: 2 Pages: 2588-2599

    • DOI

      10.1093/mnras/stae195

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  • [Journal Article] UV and Lyα Halos of Lyα Emitters across Environments at z = 2.842023

    • Author(s)
      Kikuta Satoshi、Matsuda Yuichi、Inoue Shigeki、Steidel Charles C.、Cen Renyue、Zheng Zheng、Yajima Hidenobu、Momose Rieko、Imanishi Masatoshi、Komiyama Yutaka
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 947 Issue: 2 Pages: 75-75

    • DOI

      10.3847/1538-4357/acbf30

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  • [Journal Article] Detections of [C ii] 158 μm and [O iii] 88 μm in a Local Lyman Continuum Emitter, Mrk 54, and Its Implications to High-redshift ALMA Studies*2023

    • Author(s)
      Ura Ryota、Hashimoto Takuya、Inoue Akio K.、Fadda Dario、Hayes Matthew、Puschnig Johannes、Zackrisson Erik、Tamura Yoichi、Matsuo Hiroshi、Mawatari Ken、Fudamoto Yoshinobu、Hagimoto Masato、Kuno Nario、Sugahara Yuma、Yamanaka Satoshi、C. Bakx Tom J. L.、Nakazato Yurina、Usui Mitsutaka、Yajima Hidenobu、Yoshida Naoki
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 948 Issue: 1 Pages: 3-3

    • DOI

      10.3847/1538-4357/acc530

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  • [Journal Article] Cosmological-scale Lyα Forest Absorption around Galaxies and AGNs Probed with the HETDEX and SDSS Spectroscopic Data2023

    • Author(s)
      Sun Dongsheng、Mawatari Ken、Ouchi Masami、Ono Yoshiaki、Yajima Hidenobu、Zhang Yechi、Abe Makito、Bowman William P.、Cooper Erin Mentuch、Davis Dustin、Farrow Daniel J.、Gebhardt Karl、Hill Gary J.、Liu Chenxu、Schneider Donald P.
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 951 Issue: 1 Pages: 25-25

    • DOI

      10.3847/1538-4357/accf88

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  • [Journal Article] Morphologies of Galaxies at z>9 Uncovered by JWST/NIRCam Imaging: Cosmic Size Evolution and an Identification of an Extremely Compact Bright Galaxy at z~122023

    • Author(s)
      Ono Yoshiaki、Harikane Yuichi、Ouchi Masami、Yajima Hidenobu、Abe Makito、Isobe Yuki、Shibuya Takatoshi、Wise John H.、Zhang Yechi、Nakajima Kimihiko、Umeda Hiroya
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 951 Issue: 1 Pages: 72-72

    • DOI

      10.3847/1538-4357/acd44a

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  • [Journal Article] EMPRESS. IX. Extremely Metal-poor Galaxies are Very Gas-rich Dispersion-dominated Systems: Will the James Webb Space Telescope Witness Gaseous Turbulent High-z Primordial Galaxies?2023

    • Author(s)
      Isobe Yuki, Ouchi Masami, Nakajima Kimihiko, Mawatari Ken, et al.
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 951 Issue: 2 Pages: 102-102

    • DOI

      10.3847/1538-4357/accc87

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  • [Journal Article] EMPRESS. XI. SDSS and JWST Search for Local and z ~4-5 Extremely Metal-poor Galaxies (EMPGs): Clustering and Chemical Properties of Local EMPGs2023

    • Author(s)
      Nishigaki Moka、Ouchi Masami、Nakajima Kimihiko、Ono Yoshiaki、Rauch Michael、Isobe Yuki、Harikane Yuichi、Narita Kanako、Zahedy Fakhri、Xu Yi、Yajima Hidenobu、Fukushima Hajime、Hirai Yutaka、Kim Ji Hoon、Inoue Shigeki、Kusakabe Haruka、Lee Chien-Hsiu、Nagao Tohru、Onodera Masato
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 952 Issue: 1 Pages: 11-11

    • DOI

      10.3847/1538-4357/accf14

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] The formation of globular clusters with top-heavy initial mass functions2023

    • Author(s)
      Fukushima Hajime、Yajima Hidenobu
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      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 524 Issue: 1 Pages: 1422-1430

    • DOI

      10.1093/mnras/stad1956

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  • [Journal Article] Generation of high circular polarization of interstellar Lyman α radiation triggering biological homochirality2023

    • Author(s)
      Fukushima Hajime、Yajima Hidenobu、Umemura Masayuki
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      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 524 Issue: 2 Pages: 2114-2123

    • DOI

      10.1093/mnras/stad1899

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  • [Journal Article] FOREVER22: the first bright galaxies with Population III stars at redshifts z~10-20 and comparisons with JWST data2023

    • Author(s)
      Yajima Hidenobu、Abe Makito、Fukushima Hajime、Ono Yoshiaki、Harikane Yuichi、Ouchi Masami、Hashimoto Takuya、Khochfar Sadegh
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 525 Issue: 4 Pages: 4832-4839

    • DOI

      10.1093/mnras/stad2497

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  • [Journal Article] FOREVER22: gas and metal outflow from massive galaxies in protocluster regions2023

    • Author(s)
      Harada Naoki、Yajima Hidenobu、Abe Makito
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      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 525 Issue: 4 Pages: 5868-5879

    • DOI

      10.1093/mnras/stad2660

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    • Author(s)
      Isobe Yuki、Ouchi Masami、Tominaga Nozomu、Watanabe Kuria、Nakajima Kimihiko、Umeda Hiroya、Yajima Hidenobu、Harikane Yuichi、Fukushima Hajime、Xu Yi、Ono Yoshiaki、Zhang Yechi
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 959 Issue: 2 Pages: 100-100

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ad09be

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  • [Journal Article] Observational signatures of forming young massive clusters: continuum emission from dense HII regions2023

    • Author(s)
      Inoguchi Mutsuko、Hosokawa Takashi、Fukushima Hajime、Tanaka Kei E I、Yajima Hidenobu、Mineshige Shin
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 527 Issue: 2 Pages: 3612-3623

    • DOI

      10.1093/mnras/stad3297

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  • [Journal Article] Far and extreme UV radiation feedback in molecular clouds and its influence on the mass and size of star clusters2022

    • Author(s)
      Fukushima,H., & Yajima,H.
    • Journal Title

      MNRAS

      Volume: 511 Issue: 3 Pages: 3346-3364

    • DOI

      10.1093/mnras/stac244

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  • [Journal Article] The formation of the first quasars: the black hole seeds, accretion, and feedback models2022

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      Zhu Qirong、Li Yuexing、Li Yiting、Maji Moupiya、Yajima Hidenobu、Schneider Raffaella、Hernquist Lars
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 514 Issue: 4 Pages: 5583-5606

    • DOI

      10.1093/mnras/stac1556

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      2022 Annual Research Report
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  • [Journal Article] Exploring the cosmic dawn and epoch of reionization with the 21cm line2022

    • Author(s)
      Shimabukuro Hayato、Hasegawa Kenji、Kuchinomachi Akira、Yajima Hidenobu、Yoshiura Shintaro
    • Journal Title

      Publications of the Astronomical Society of Japan

      Volume: 75 Issue: Supplement_1 Pages: S1-S32

    • DOI

      10.1093/pasj/psac042

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    • Author(s)
      Takamizu Yuichi、Umemura Masayuki、Yajima Hidenobu、Abe Makito、Hoshi Yoko
    • Journal Title

      Applied Sciences

      Volume: 12 Issue: 24 Pages: 12511-12525

    • DOI

      10.3390/app122412511

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    • Author(s)
      Yajima Hidenobu、Abe Makito、Umemura Masayuki、Takamizu Yuichi、Hoshi Yoko
    • Journal Title

      Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer

      Volume: 277 Pages: 107948-107948

    • DOI

      10.1016/j.jqsrt.2021.107948

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      Yajima Hidenobu、Abe Makito、Khochfar Sadegh、Nagamine Kentaro、Inoue Akio K、Kodama Tadayuki、Arata Shohei、Dalla-Vecchia Claudio、Fukushima Hajime、Hashimoto Takuya、Kashikawa Nobunari、Kubo Mariko、Li Yuexing、Matsuda Yuichi、Mawatari Ken、Ouchi Masami、Umehata Hideki
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 509 Issue: 3 Pages: 4037-4057

    • DOI

      10.1093/mnras/stab3092

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    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 508 Issue: 3 Pages: 3226-3238

    • DOI

      10.1093/mnras/stab2637

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      Fukushima Hajime、Yajima Hidenobu
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      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 506 Issue: 4 Pages: 5512-5539

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      10.1093/mnras/stab2099

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      Volume: 506 Issue: 1 Pages: 84-97

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      Ogata Erika、Ohsuga Ken、Yajima Hidenobu
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      Volume: 73 Issue: 4 Pages: 929-942

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    • Author(s)
      矢島秀伸
    • Organizer
      初代星初代銀河研究会2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Cosmological Simulations of the First Galaxy Formation and Comparisons with JWST data2023

    • Author(s)
      矢島秀伸
    • Organizer
      9th Galaxy Evolution Workshop
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Formation of the First Massive Galaxies in Cosmological Simulations and Their Observational Properties2023

    • Author(s)
      矢島秀伸
    • Organizer
      Early Disk-Galaxy Formation from JWST to the Milky Way
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 原始銀河団シミュレーション:超遠方サブミリ波銀河の形成について2022

    • Author(s)
      矢島秀伸
    • Organizer
      天文学会秋季年会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 輻射輸送計算による星間紫外線円偏光場のモデル化とキラル分子への影響2022

    • Author(s)
      矢島秀伸
    • Organizer
      第11回宇宙における生命ワークショップ
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Development of in-vivo optical tomography by combining radiative transfer calculations and machine learning2022

    • Author(s)
      矢島秀伸
    • Organizer
      CCS symposium 2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] FOREVER22 simulation project2022

    • Author(s)
      矢島秀伸
    • Organizer
      France-Japan Galaxy Formation workshop
    • Related Report
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] FOREVER22: the first bright galaxies with population III stars and comparisons with JWST data2022

    • Author(s)
      矢島秀伸
    • Organizer
      NECO JWST workshop
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 初期宇宙の銀河形成と星間紫外線円偏光2022

    • Author(s)
      矢島秀伸
    • Organizer
      計算アストロバイオロジー2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] ヒト頸部と頭部を対象にした輻射輸送シミュレーション2022

    • Author(s)
      矢島秀伸
    • Organizer
      計算メディカルサイエンスワークショップ
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  • [Presentation] 甲状腺癌診断に向けたヒト頸部の高精度輻射輸送シミュレーション2022

    • Author(s)
      矢島秀伸
    • Organizer
      生体光イメージング産学連携専門委員会キックオフシンポジウム
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      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 甲状腺がんの近赤外線診断に向けた高精度輻射輸送シミュレーション2022

    • Author(s)
      矢島秀伸
    • Organizer
      Optics & Photonics Japan 2022
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Formation of the first massive star clusters in the first galaxies2022

    • Author(s)
      矢島秀伸
    • Organizer
      Gravitational Wave Physics and Astronomy : Genesis
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Multi-wavelength properties of high-redshift galaxies in cosmological simulations2021

    • Author(s)
      Hidenobu Yajima
    • Organizer
      France-Japan international research network NECO tele talk session
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  • [Presentation] Cosmological simulations of massive galaxies in protocluster regions2021

    • Author(s)
      Hidenobu Yajima
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      Sino-French workshop on confronting simulations with observations of high-redshift galaxies and clusters
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  • [Presentation] 生体光イメージングに向けた大規模輻射輸送計算コードの開発2021

    • Author(s)
      Hidenobu Yajima
    • Organizer
      Optics & Photonics Japan 2021
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 初期宇宙の銀河形成:フィードバックと金属分布について2021

    • Author(s)
      Hidenobu Yajima
    • Organizer
      金属欠乏宇宙2021
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      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 初期宇宙の銀河の活発な星形成:その内的要因と外的要因2021

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      Hidenobu Yajima
    • Organizer
      銀河と星形成2021
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      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 高精度輻射輸送計算と機械学習の融合による近赤外光トモグラフィ: 現状とこれから2021

    • Author(s)
      Hidenobu Yajima
    • Organizer
      計算メディカルサイエンスワークショプ
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  • [Presentation] 原始銀河団におけるマルチスケール多重AGN2021

    • Author(s)
      Hidenobu Yajima
    • Organizer
      多重AGNワークショップ
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      2021 Annual Research Report

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Published: 2021-04-28   Modified: 2025-12-26  

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