Core Collapse Supernovae (CC-SNe) represent the final evolutionary phase of sufficiently massive stars ($M_{\rm ZAMS} \gtrsim 8-10$\Mo). These events are among the most energetic phenomena in the Universe (typical explosion energy of the order of 10^{51}erg) and are very important for many astrophysical issues linked, e.g., to the nucleosynthesis, the production of dust and the emission of neutrinos and gravitational waves. Due to the relevance of these issues in different branches of modern physics, ranging from cosmology to multi-messenger astronomy, during the last decade, a large number of SN events have been classified and followed up by ongoing extensive transient surveys (e.g. ePESSTO+, ZTF). This number will increase rapidly with the Legacy Survey of Space and Time (LSST) at the Vera C. Rubin Observatory, which will detect thousands of SN events per year. On the other hand, in order to study the physical nature of SN events, the observations must be complemented by an astrophysical description of the processes underlying their electromagnetic emission, linked to the characteristics of the progenitor system and its explosion mechanism. However, astrophysical models capable of deriving these physical characteristics from SN observational features are very computationally expensive. This limits their application to a number of SNe much lower than those observed by the surveys, a gap that may be accentuated with the beginning of LSST. In light of this, new original analytical and semi-analytical models have been presented in this thesis. This type of models is indeed known for its speed in simulating the main features of SN electromagnetic emission, such as the bolometric light curve and the evolution of photospheric velocity. Specifically, here-presented models have permitted to realise of new modelling procedures based on the Bayesian inference and capable to quickly characterize the main physical properties of the progenitor system at the explosion time, including the explosion energy, the ejected mass and the radius of the progenitor at the time of collapse. In addition to these basic parameters, which characterize any type of CC-SN, this study also considers those related to various heating processes that are also involved in similar transient objects such as, Super Luminous SNe (SLSNe) and Kilonovae. These include the decay of radioactive elements like Nickel-56 (crucial for simulating SNe similar to SN 1987A, i.e. 87A-like), the interaction with a circumstellar medium (CSM, essential for reproducing the observations of interacting SNe), and the presence of a compact object (e.g., Magnetar, Black Hole) in energetically extreme cases such as SLSNe. Therefore, in order to improve our knowledge of these phenomena, these modelling procedures have been used to analyse different groups of SNe, all with suitable sampling of their light and velocity curves. In particular, an extensive and careful study of the astrophysical parameters for the largest sample of SNe 87A-like has been carried out, moreover finding new original analytical equations that directly link the physical and observational properties of these events. Furthermore, the models have allowed for a detailed study of the physical properties of SN events showing clear signs of interaction during the early post-explosive phases, as in the case of SN 2023ixf in M101. Specifically, due to the ``proximity'' of this SN, it was possible to contribute to the follow-up from the Astrophysical Observatory of Catania (OACT) of the National Institute for Astrophysics (INAF) using the 91 cm telescope at the M.G. Fracastoro Observatory in Serra la Nave (Mount Etna), whose results are included in this thesis work. Based on these and other public data, the new modelling procedures have made it possible to reconstruct the nature of the progenitor, confirming what was found by direct progenitor detection method. Once the physical characteristics that distinguish the progenitor and its CSM are known, it is possible to evaluate, the higher energy particles emission due to hadron collisions occurring within the ejecta-CSM shocked material even in the case of low-interacting SNe like SN 2023ixf. In this thesis work, a model for high energy neutrino (HE-$\nu$) emission has been developed, starting from the same hypothesis of the electromagnetic emission models used for the inference of astrophysical SNe parameters. This approach has made it possible to evaluate in detail the detection probability for this HE-$\nu$ type by large volume neutrino telescopes (e.g. IceCube). The results show that the next generation of neutrino telescopes under construction, such as Km3Net and IceCube-Gen2, may be able to detect HE-$\nu$ for relatively close SNe (about 10 Mpc) and beyond. The conditions under which this might occur depend strongly on the physical properties of the CSM and the energy of the explosion. In this context, the electromagnetic modelling of SN events and similar transients may play a crucial role in inferring these properties, significantly contributing to the search for neutrino and gamma-ray signals from these astrophysical sources. Therefore, future studies will aim to develop ``fast'' modelling procedures capable of characterizing a wider range of electromagnetic transients and integrating information across various SNe emission channels. This will be essential for advancing our understanding of astrophysical explosive events through a multi-messenger approach.

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.

Procedure di modellizzazione rapide per la caratterizzazione di Supernovae Core Collapse e di transienti similari / Cosentino, STEFANO PIO. - (2024 Dec 06).

Procedure di modellizzazione rapide per la caratterizzazione di Supernovae Core Collapse e di transienti similari

COSENTINO, STEFANO PIO
2024-12-06

Abstract

Core Collapse Supernovae (CC-SNe) represent the final evolutionary phase of sufficiently massive stars ($M_{\rm ZAMS} \gtrsim 8-10$\Mo). These events are among the most energetic phenomena in the Universe (typical explosion energy of the order of 10^{51}erg) and are very important for many astrophysical issues linked, e.g., to the nucleosynthesis, the production of dust and the emission of neutrinos and gravitational waves. Due to the relevance of these issues in different branches of modern physics, ranging from cosmology to multi-messenger astronomy, during the last decade, a large number of SN events have been classified and followed up by ongoing extensive transient surveys (e.g. ePESSTO+, ZTF). This number will increase rapidly with the Legacy Survey of Space and Time (LSST) at the Vera C. Rubin Observatory, which will detect thousands of SN events per year. On the other hand, in order to study the physical nature of SN events, the observations must be complemented by an astrophysical description of the processes underlying their electromagnetic emission, linked to the characteristics of the progenitor system and its explosion mechanism. However, astrophysical models capable of deriving these physical characteristics from SN observational features are very computationally expensive. This limits their application to a number of SNe much lower than those observed by the surveys, a gap that may be accentuated with the beginning of LSST. In light of this, new original analytical and semi-analytical models have been presented in this thesis. This type of models is indeed known for its speed in simulating the main features of SN electromagnetic emission, such as the bolometric light curve and the evolution of photospheric velocity. Specifically, here-presented models have permitted to realise of new modelling procedures based on the Bayesian inference and capable to quickly characterize the main physical properties of the progenitor system at the explosion time, including the explosion energy, the ejected mass and the radius of the progenitor at the time of collapse. In addition to these basic parameters, which characterize any type of CC-SN, this study also considers those related to various heating processes that are also involved in similar transient objects such as, Super Luminous SNe (SLSNe) and Kilonovae. These include the decay of radioactive elements like Nickel-56 (crucial for simulating SNe similar to SN 1987A, i.e. 87A-like), the interaction with a circumstellar medium (CSM, essential for reproducing the observations of interacting SNe), and the presence of a compact object (e.g., Magnetar, Black Hole) in energetically extreme cases such as SLSNe. Therefore, in order to improve our knowledge of these phenomena, these modelling procedures have been used to analyse different groups of SNe, all with suitable sampling of their light and velocity curves. In particular, an extensive and careful study of the astrophysical parameters for the largest sample of SNe 87A-like has been carried out, moreover finding new original analytical equations that directly link the physical and observational properties of these events. Furthermore, the models have allowed for a detailed study of the physical properties of SN events showing clear signs of interaction during the early post-explosive phases, as in the case of SN 2023ixf in M101. Specifically, due to the ``proximity'' of this SN, it was possible to contribute to the follow-up from the Astrophysical Observatory of Catania (OACT) of the National Institute for Astrophysics (INAF) using the 91 cm telescope at the M.G. Fracastoro Observatory in Serra la Nave (Mount Etna), whose results are included in this thesis work. Based on these and other public data, the new modelling procedures have made it possible to reconstruct the nature of the progenitor, confirming what was found by direct progenitor detection method. Once the physical characteristics that distinguish the progenitor and its CSM are known, it is possible to evaluate, the higher energy particles emission due to hadron collisions occurring within the ejecta-CSM shocked material even in the case of low-interacting SNe like SN 2023ixf. In this thesis work, a model for high energy neutrino (HE-$\nu$) emission has been developed, starting from the same hypothesis of the electromagnetic emission models used for the inference of astrophysical SNe parameters. This approach has made it possible to evaluate in detail the detection probability for this HE-$\nu$ type by large volume neutrino telescopes (e.g. IceCube). The results show that the next generation of neutrino telescopes under construction, such as Km3Net and IceCube-Gen2, may be able to detect HE-$\nu$ for relatively close SNe (about 10 Mpc) and beyond. The conditions under which this might occur depend strongly on the physical properties of the CSM and the energy of the explosion. In this context, the electromagnetic modelling of SN events and similar transients may play a crucial role in inferring these properties, significantly contributing to the search for neutrino and gamma-ray signals from these astrophysical sources. Therefore, future studies will aim to develop ``fast'' modelling procedures capable of characterizing a wider range of electromagnetic transients and integrating information across various SNe emission channels. This will be essential for advancing our understanding of astrophysical explosive events through a multi-messenger approach.
6-dic-2024
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.
Supernovae; Analytical models; Bayesian procedures; Statistical Analysis; Circumstellar Medium; High energy neutrinos; Multimessenger astronomy
Supernovae; Modelli analitici; Procedure Bayesiane; Mezzo Circumstellare; Neutrini di alta energia; Astronomia multimessaggera; Analisi statistiche
Procedure di modellizzazione rapide per la caratterizzazione di Supernovae Core Collapse e di transienti similari / Cosentino, STEFANO PIO. - (2024 Dec 06).
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Tipologia: Tesi di dottorato
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