Procedure di modellizzazione rapide per la caratterizzazione di Supernovae Core Collapse e di transienti similari
Le Supernovae da Collasso Gravitazionale (Core Collapse Supernovae, CC-SNe) rappresentano la fase finale dell'evoluzione di stelle sufficientemente massive (M_{ZAMS} > 8-10 M_\odot). Questi eventi sono tra i fenomeni più energetici dell'Universo (con energie di esplosione tipiche dell'ordine di 10^{51} erg e rivestono un ruolo fondamentale in numerosi ambiti astrofisici, come ad esempio la nucleosintesi, la produzione di polveri e l'emissione di neutrini e onde gravitazionali. Data la rilevanza di questi aspetti in diversi settori della fisica moderna, dalla cosmologia all'astronomia multi-messaggera, nell'ultimo decennio un gran numero di supernovae (SN) è stato classificato e seguito da estesi programmi di monitoraggio di transitori (ad esempio ePESSTO+, ZTF). Questo numero aumenterà rapidamente con il Legacy Survey of Space and Time (LSST) presso il Vera C. Rubin Observatory, che rileverà migliaia di eventi di SN all'anno. Tuttavia, per studiare la natura fisica delle SN, le osservazioni devono essere integrate con una descrizione astrofisica dei processi che regolano la loro emissione elettromagnetica, a loro volta legati alle caratteristiche del sistema progenitore e al meccanismo di esplosione. I modelli astrofisici in grado di derivare queste caratteristiche fisiche dalle osservazioni delle SN risultano, però, molto costosi dal punto di vista computazionale. Questo limita la loro applicazione a un numero di SN molto inferiore rispetto a quelle osservate nei programmi di monitoraggio, un divario che potrebbe accentuarsi con l'inizio delle osservazioni LSST. Alla luce di ciò, in questa tesi sono stati presentati nuovi modelli analitici e semi-analitici originali. Questi modelli sono noti per la loro rapidità nel simulare le principali caratteristiche dell'emissione elettromagnetica delle SN, come la curva di luce bolometrica e l'evoluzione della velocità fotosferica. In particolare, i modelli qui descritti hanno permesso di sviluppare nuove procedure di modellizzazione basate sull'inferenza bayesiana, capaci di caratterizzare rapidamente le principali proprietà fisiche del sistema progenitore al momento dell'esplosione, tra cui l'energia di esplosione, la massa espulsa e il raggio del progenitore al collasso. Oltre a questi parametri di base, che caratterizzano qualsiasi tipo di CC-SN, questo studio considera anche quelli legati a vari processi di riscaldamento coinvolti in oggetti transienti simili come Super Luminous Supernovae (SLSNe) e le Kilonovae. Questi includono il decadimento di elementi radioattivi come Nickel-56 (cruciale per simulare SN simili alla SN 1987A, anche dette 87A-like), l'interazione con un mezzo circumstellare (CSM, essenziale per riprodurre le osservazioni di SN interagenti), e la presenza di un oggetto compatto (ad esempio, Magnetar o Buchi Neri) nei casi energeticamente estremi come le SLSNe. Al fine di migliorare la comprensione di questi fenomeni, queste procedure di modellizzazione sono state utilizzate per analizzare diversi gruppi di SNe con un campionamento adeguato delle loro curve di luce e velocità. In particolare, è stato condotto uno studio approfondito dei parametri astrofisici per il più grande campione di SN 87A-like, trovando inoltre nuove equazioni analitiche originali che collegano direttamente le proprietà fisiche e osservative di questi eventi. Inoltre, i modelli hanno permesso uno studio dettagliato delle proprietà fisiche di eventi SN che mostrano chiari segni di interazione nelle prime fasi post-esplosive, come nel caso della SN 2023ixf in M101. In particolare, data la relativa "prossimità" di questa SN, è stato possibile contribuire al suo follow-up con l'Osservatorio Astrofisico di Catania (OACT) dell'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) utilizzando il telescopio da 91 cm presso l'Osservatorio M.G. Fracastoro di Serra la Nave (Monte Etna), i cui risultati sono inclusi in questo lavoro di tesi. Basandosi su questi e altri dati pubblici, le nuove procedure di modellizzazione hanno permesso di ricostruire la natura del progenitore, confermando quanto trovato tramite metodi di osservazione diretta del progenitore. Una volta note le caratteristiche fisiche che distinguono il progenitore e il suo CSM, è possibile valutare l'emissione di particelle ad alta energia dovuta a collisioni adroniche nel materiale shockato tra gli ejecta e il CSM, anche nel caso di SN a bassa interazione come SN 2023ixf. In questo lavoro, è stato sviluppato un modello per l'emissione di neutrini ad alta energia (HE-$\nu$), partendo dalle stesse ipotesi dei modelli di emissione elettromagnetica utilizzati per l'inferenza dei parametri astrofisici delle SN. Questo approccio ha permesso di valutare in dettaglio la probabilità di rilevamento di questa tipologia di HE-$\nu$ da parte di telescopi di neutrini a grande volume (ad esempio, IceCube). I risultati mostrano che la prossima generazione di telescopi per neutrini attualmente in costruzione, come Km3Net e IceCube-Gen2, potrebbe rilevare HE-$\nu$ per SN relativamente vicine (circa 10 Mpc) e oltre. Le condizioni per cui ciò possa accadere dipendono fortemente dalle proprietà fisiche del CSM e dall'energia dell'esplosione. In questo contesto, la modellizzazione elettromagnetica di eventi SN e transienti simili può svolgere un ruolo cruciale nell'inferenza di queste proprietà, contribuendo significativamente alla ricerca di segnali di neutrini e raggi gamma da queste sorgenti astrofisiche. Pertanto, futuri studi mireranno a sviluppare procedure di modellizzazione "rapida" capaci di caratterizzare una gamma più ampia di transienti elettromagnetici e di integrare informazioni attraverso vari canali di emissione delle SN. Questo sarà essenziale per progredire nella comprensione degli eventi esplosivi astrofisici tramite un approccio multi-messaggero.
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