Dottorato in FISICA

Titolo della tesi: The role of multimessenger astronomy in constraining supernova explosion mechanisms

Le esplosioni di supernova sono senza dubbio tra i fenomeni più energetici dell’Universo e rappresentano uno degli enigmi più duraturi dell’astrofisica stellare. La loro straordinaria luminosità ha catturato l’attenzione dell’umanità per migliaia di anni. Sebbene le supernove siano eventi rari, la loro osservazione fornisce informazioni preziose sui processi ad alta energia che avvengono nel cosmo. Una delle rilevazioni più rivoluzionarie è stata quella di SN1987A, l’ultima supernova così vicina e brillante da essere visibile a occhio nudo. L’osservazione di un flusso di neutrini proveniente da SN1987A ha confermato le previsioni teoriche e, cosa ancor più importante, ha segnato la prima volta in cui i neutrini sono stati utilizzati per osservazioni astronomiche. Questa peculiare osservazione è comunemente considerata l’alba della cosiddetta era multimessaggera. L’astronomia multimessaggera rappresenta un cambiamento di paradigma fondamentale. L’approccio tradizionale, basato sull’osservazione del cielo esclusivamente attraverso la luce visibile, si è evoluto in modo drastico negli ultimi decenni. Oggi, gli astronomi sfruttano informazioni provenienti da tutto lo spettro elettromagnetico e beneficiano della rilevazione di altri messaggeri cosmici, ossia raggi cosmici, neutrini e onde gravitazionali. Questo approccio multidisciplinare ha arricchito la nostra comprensione dell’Universo e ha sottolineato l’importanza di una collaborazione efficiente tra diversi esperimenti. L’attuale era dell’astronomia multimessaggera ha consolidato una vasta e ben organizzata rete di telescopi in grado di comunicare e collaborare tra loro. Il prossimo decennio promette numerosi potenziamenti delle strutture esistenti e la costruzione di nuovi rivelatori di nuova generazione, che ci permetteranno di osservare l’Universo con una precisione senza precedenti. In questo contesto, le supernovae costituiscono laboratori fondamentali per lo studio della materia nucleare in condizioni estreme. Neutrini e onde gravitazionali forniscono prospettive uniche sui meccanismi che guidano questi eventi esplosivi, aiutando a rispondere a domande di lunga data sui processi coinvolti nella riaccensione dello shock e nell’innesco dell’esplosione. Dopo un’introduzione dettagliata sullo stato dell’arte dei modelli di supernova e sulle potenzialità dell’astronomia multimessaggera, la tesi descrive il mio contributo all’interno dell’esperimento KM3NeT, un telescopio di neutrini di nuova generazione. Presento il mio lavoro sullo sviluppo di un software basato sul machine learning, addestrato a distinguere tra neutrini e muoni atmosferici, con l’obiettivo di migliorare la capacità di reiezione del fondo. Grazie alle prestazioni ottenute, mostrate in questa tesi, tale strumento è già utilizzato nell’elaborazione online degli eventi ed è previsto che venga applicato a tutte le analisi attualmente in corso. Gran parte del mio lavoro all’interno della collaborazione è stata infatti dedicata allo sviluppo del cosiddetto Real-Time Analysis framework, una piattaforma che si occupa dell’elaborazione in tempo reale degli eventi in arrivo, fornendo in pochissimo tempo tutte le informazioni fisiche rilevanti sui potenziali eventi di neutrini. La rapidità dell’elaborazione online è un aspetto cruciale per una piattaforma di analisi in tempo reale, specialmente nel contesto delle supernovae, dove la rilevazione di un neutrino può essere utilizzata per attivare analisi dedicate alla ricerca di di controparti, ad esempio onde gravitazionali, all’interno della finestra temporale di interesse. In linea con questo scenario, ho sviluppato una pipeline chiamata MUSE (Multi-messenger Understanding of Supernova Explosions). MUSE si basa su tecniche di machine learning ed è addestrata a effettuare ricerche mirate di segnali di supernova all’interno dei dati delle onde gravitazionali. Il modello è stato addestrato su un insieme di forme d’onda fenomenologiche progettate per imitare le caratteristiche osservate nelle moderne simulazioni 3D, e successivamente testato su Einstein Telescope, un rivelatore di onde gravitazionali di terza generazione. Grazie alla straordinaria crescita della potenza di calcolo disponibile, le attuali simulazioni numeriche sono oggi in grado di prevedere con accuratezza l’emissione di onde gravitazionali da un’esplosione stellare. Tuttavia, pur non essendo ancora conclusive, tali simulazioni hanno notevolmente migliorato la nostra comprensione dei meccanismi che governano questi fenomeni. In particolare, le simulazioni multidimensionali (cioè in 2D e 3D) hanno mostrato che, in molti casi, l’esplosione è sostenuta da instabilità non radiali che si sviluppano tra il fronte d’urto e la superficie della proto-stella di neutroni. Uno degli effetti più rilevanti è la cosiddetta Standing Accretion Shock Instability (o SASI), un’instabilità non radiale su larga scala. È interessante notare che questo effetto induce una chiara modulazione sia nell’emissione di neutrini sia in quella di onde gravitazionali, stabilendo così un legame diretto tra questi due messaggeri cosmici. Lo studio di tale correlazione rappresenterà una svolta nell’astrofisica, poiché permetterà di svelare i meccanismi interni che innescano uno dei fenomeni più potenti dell’Universo. Nel mio lavoro di ricerca, ho esplorato la possibilità di utilizzare la trasformata di Hilbert-Huang per identificare ed estrarre le firme del SASI dai segnali simulati di onde gravitazionali.