Quando una stella massiccia giunge al termine della propria vita esplodendo in una supernova, non libera soltanto una quantità straordinaria di luce, ma trasforma l’ambiente circostante in un vero e proprio acceleratore di particelle cosmico. Un nuovo studio condotto da un team guidato da Marika Buccheri, dottoranda al primo anno presso l’Università di Roma “Tor Vergata” e l’INAF – Osservatorio Astronomico d’Abruzzo, ha fatto luce sui processi fisici che governano la produzione di neutrini ad alta energia in questi eventi catastrofici, prendendo in esame la supernova di Tipo II SN 2024ggi.

La ricerca, pubblicata sulla rivista Il Nuovo Cimento della Società Italiana di Fisica (SIF), vede una forte sinergia tutta italiana tra l’INAF d’Abruzzo, l’INAF – Osservatorio Astrofisico di Catania, l’Università di Catania e i Laboratori Nazionali del Sud dell’INFN.

Gli ambienti delle supernove ricche di idrogeno (anche dette di Tipo II) rappresentano luoghi ideali per l’accelerazione di particelle: quando il materiale espulso dall’esplosione (ejecta, in inglese) si scontra a altissima velocità contro il mezzo circumstellare (il gas rilasciato dalla stella prima di morire), genera onde d’urto capaci di produrre neutrini cosmici.

Grazie alla sua straordinaria vicinanza alla Terra — circa 20 milioni di anni luce (500 volte più vicina della supernova più distante tra quelle note) — SN 2024ggi ha offerto alla comunità scientifica un’opportunità di studio rara: osservare con particolare dettaglio le primissime fasi dell’esplosione attraverso dati spettroscopici e fotometrici che spaziano dall’ultravioletto all’infrarosso.

Per interpretare questi dati, il team di ricerca ha impiegato un innovativo modello semi-analitico. “A differenza dei complessi modelli idrodinamici tradizionali, che richiedono settimane di calcoli al computer, questo approccio permette di legare in modo diretto la luce visibile dell’esplosione alla produzione di neutrini ad alta energia, vincolando i parametri fondamentali dell’evento, come l’energia cinetica, la massa dell’ejecta e la quantità di nichel prodotta”, spiega Buccheri, prima autrice dello studio. 

I risultati hanno mostrato che il flusso di neutrini ad alta energia generato da SN 2024ggi si attesta al di sotto della soglia di sensibilità degli attuali rivelatori situati sulla superficie del nostro pianeta o sotto il ghiaccio/mare. Un risultato che, anziché costituire una limitazione, rappresenta un’informazione scientifica di primaria importanza.

Buccheri sottolinea che “l’elemento innovativo del lavoro risiede nel collegamento diretto tra i dati osservativi reali di una supernova e la produzione di neutrini ad alta energia. A differenza dei modelli precedenti, più teorici, qui i parametri sono vincolati dai dati, consentendo una previsione realistica del flusso di neutrini e della loro rilevabilità, mostrando che, in questo caso, il segnale è sotto soglia”.

La ricerca dimostra che anche un segnale non direttamente rilevato possa trasformarsi in un dato prezioso per ridefinire i limiti della fisica teorica e per calibrare i puntamenti in tempo reale delle grandi infrastrutture osservative.

Il modello sviluppato su SN 2024ggi e sulla precedente SN 2023ixf rappresenta infatti uno schema metodologico solido per l’astronomia multi-messaggera, una branca dell’astrofisica che combina lo studio delle onde elettromagnetiche (la luce) con quello delle particelle elementari e delle onde gravitazionali.

“Lo studio ha permesso di stabilire con precisione i limiti fisici dell’emissione di neutrini ad alta energia nelle supernove di Tipo II. In definitiva, la ricerca aggiunge alle conoscenze attuali un solido schema metodologico per l’astronomia multi-messaggera, definendo i target necessari per le future generazioni di telescopi per neutrini”, conclude Buccheri.

Questo lavoro conferma l’impegno dell’INAF e delle sue strutture territoriali nel posizionarsi in prima linea nello sviluppo dei modelli teorici e nell’analisi dei dati che guideranno la ricerca scientifica nell’era dei grandi osservatori del futuro, come evidenzia Stefano Pio Cosentino, dell’Università di Catania: “Le nuove generazioni di rivelatori per neutrini, come KM3NeT/ARCA e IceCube-Gen2, stanno per aprire una nuova era nell’astronomia multimessaggera, che ci permetterà di migliorare la nostra comprensione degli eventi di supernova e della loro interazione con il mezzo circumstellare. A quasi un anno di distanza dallo studio della SN 2023ixf, il caso della SN 2024ggi ha riacceso i riflettori sulla ricerca di neutrini ad alta energia da esplosioni stellari entro i 10 megaparsec (32,6 milioni di anni luce circa). In questi eventi, la presenza di materiale circumstellare denso a ridosso della stella progenitrice si è rivelata una caratteristica piuttosto comune, rendendoli potenziali target per questo tipo di ricerca”.

Buccheri proseguirà e amplierà le sue ricerche sulle supernovae interagenti durante il percorso di dottorato presso l’Osservatorio Astronomico d’Abruzzo, sotto la supervisione del dott. Leonardo Tartaglia e della prof.ssa Maria Letizia Piera Pumo con i quali è già in preparazione un nuovo lavoro scientifico dedicato all’analisi di SN 2024dy.

Maria Letizia Piera Pumo, professoressa associata presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia “Ettore Majorana” dell’Università di Catania e associata INAF e INFN, racconta: “La pubblicazione di questo studio è legata alla presentazione al congresso SIF 2025 dei risultati ottenuti da Marika, allora laureanda, che io e il dott. Cosentino abbiamo seguito, rispettivamente, nel ruolo di relatrice e correlatore, nell’ambito del suo progetto di tesi di laurea, svolto presso l’Università di Catania e dedicato allo studio e alla caratterizzazione della SN 2024ggi. La presentazione è stata infatti selezionata tra le migliori comunicazioni del congresso per la sezione di Astrofisica, valendo a Marika l’invito a pubblicare questi risultati in un paper appena apparso su NCimC. Questo percorso rappresenta un esempio concreto del contributo che i giovani ricercatori possono offrire al progresso della conoscenza scientifica”.

Per ulteriori informazioni:
Leggi l’articolo “High-energy neutrino flux from SN 2024ggi: constraints from semi-analytic modeling of its post-explosive electromagnetic emission”, di M. Buccheri, S. P. Cosentino, M. L. Pumo, pubblicato sulla rivista Il Nuovo Cimento della SIF.

Immagine di copertina: la galassia a spirale NGC 3621 ripresa dal Very Large Telescope dell’ESO. Crediti: ESO