Constraining high-energy neutrinos from tidal disruption events with IceCube high-energy starting events

Résumé Technique : Contraintes sur les neutrinos de haute énergie provenant d'événements de rupture de marée avec IceCube HESE

Énoncé du Problème
Les événements de rupture de marée (TDE - Tidal Disruption Events), où des étoiles sont déchiquetées par des trous noirs supermassifs, sont proposés comme candidats pour les sources de neutrinos de haute énergie. Les modèles théoriques suggèrent que la production de neutrinos peut se produire dans diverses régions, incluant des jets relativistes (réussis ou étouffés), des disques d'accrétion, des couronnes et des écoulements (outflows). Bien que des études précédentes aient identifié des coïncidences potentielles entre certains TDE spécifiques (par exemple, AT2019dsg) et des événements de neutrinos, des améliorations récentes de la reconstruction directionnelle d'IceCube ont montré que ces directions de neutrinos reconstruites ne s'alignent pas avec les localisations des TDE. Par conséquent, une approche statistique est nécessaire pour déterminer si les TDE, en tant que population, contribuent au flux diffus de neutrinos de haute énergie. Le défi principal réside dans la faible statistique tant du catalogue de TDE observé que de l'ensemble de données de neutrinos de haute énergie, nécessitant une analyse de type empilement (stacking analysis) robuste pour contraindre les paramètres physiques régissant la production de neutrinos.

Méthodologie
Les auteurs effectuent une analyse de maximum de vraisemblance non groupée (unbinned maximum likelihood analysis) pour rechercher des corrélations spatiales et temporelles entre l'ensemble de données HESE de 12,5 ans d'IceCube et un catalogue de 89 TDE.

• Catalogues de Données :

  • TDEs : Un échantillon de 89 TDE a été sélectionné à partir d'un catalogue de 134 événements [73]. Les critères de sélection exigeaient la disponibilité de la photométrie de séries temporelles pour déterminer le temps de pic de luminosité ($t_{peak}$) à l'aide d'un algorithme de blocs de Bayes (Bayesian Blocks). L'échantillon couvre diverses redshifts et inclut des événements détectés dans plusieurs bandes optiques (ZTF, ATLAS, ASASSN, etc.).
  • Neutrinos : L'analyse utilise 164 événements HESE de l'ensemble de données de 12,5 ans d'IceCube (juin 2010 – août 2022). L'ensemble de données comprend des directions d'arrivée reconstruites modélisées par une distribution de Fisher-Bingham à 8 paramètres (FB8) pour tenir compte des incertitudes de localisation anisotropes.

• Analyse de Vraisemblance :

  • L'analyse emploie une fonction de vraisemblance non groupée (Éq. 3.1) qui empile les associations entre chaque TDE et tous les événements de neutrinos dans la proximité temporelle et spatiale.
  • PDF du Signal ($S_i$) : Modélisée comme le produit des composantes temporelles et spatiales. La composante temporelle suppose une distribution gaussienne centrée sur un délai de $\lambda_T = 100$ jours par rapport au pic optique du TDE, avec un écart de $\sigma_T = 10$ jours, motivée par des modèles de lancement de jet retardé (par exemple, les états de disque magnétiquement arrêté). La composante spatiale utilise la densité de probabilité directionnelle FB8 fournie par IceCube.
  • PDF du Bruit de Fond ($B_i$) : Suppose une distribution uniforme dans le temps (dans une fenêtre d'environ 50 jours) et une distribution uniforme sur le ciel.
  • Statistique de Test (TS) : Définie comme $TS = 2 \log(L(ns)/L(ns=0))$, où $ns$ est le paramètre d'intensité du signal. Le TS observé ($TS_{obs}$) est comparé à une distribution de $TS_{max}$ générée à partir de $10^5$ catalogues fictifs avec des positions et des temps de TDE générés aléatoirement pour établir la significativité.

• Limites Supérieures et Injection de Signal :

  • Pour contraindre les paramètres physiques, les auteurs génèrent des catalogues de TDE synthétiques et effectuent une injection de signal artificielle. Ils font varier deux paramètres clés : la fraction de TDE possédant des jets intrinsèques ($f_{jet}$) et l'énergie des rayons cosmiques équivalente isotrope ($E_{CR}$).
  • Des catalogues fictifs sont construits en sélectionnant un sous-échantillon de TDE à jets basés sur $f_{jet}$, en calculant les rendements de neutrinos attendus basés sur $E_{CR}$, et en injectant des paires de signaux dans l'ensemble de données avec une corrélation spatiale parfaite et des délais temporellement corrélés.

Résultats Clés

• Recherche de Corrélation : L'analyse des données observées produit un maximum de statistique de test de $TS_{max} = 0$ à $ns = 0$. Les données observées sont cohérentes avec l'hypothèse de l'absence de signal (fond seul), ne montrant aucune corrélation spatiale ou temporelle significative entre les 89 TDE et les 164 neutrinos HESE.
• Contraintes sur les Paramètres Physiques : En utilisant le résultat nul, les auteurs placent des limites supérieures sur l'espace des paramètres de $f_{jet}$ et $E_{CR}$.
  • Même avec des statistiques limitées, l'analyse contraint la région où $f_{jet} \gtrsim 0,6$ et $E_{CR} \gtrsim 3 \times 10^{53}$ erg avec un niveau de confiance supérieur à 90 %.
  • Pour le cas spécifique où tous les TDE sont des émetteurs de neutrinos ($f_{jet} = 1$), l'énergie des rayons cosmiques équivalente isotrope est contrainte à $E_{CR} < 2 \times 10^{53}$ erg à 90 % de C.L.
• Implications Théoriques :
  • Les limites dérivées contraignent l'efficacité ($\epsilon_{CR}$) de la conversion de l'énergie de liaison gravitationnelle en rayons cosmiques. Pour une étoile standard de $1 M_\odot$ et un trou noir de $10^8 M_\odot$, les limites impliquent $\epsilon_{CR} \lesssim 0,5$ (pour $f_{jet}=1$) ou $\epsilon_{CR} \lesssim 0,75 f_b$ (pour $f_{jet} < 0,6$).
  • Les résultats suggèrent que, bien que réussis, les jets riches en radio (qui constituent une infime fraction des TDE) sont peu susceptibles de dominer le flux diffus, les scénarios impliquant des vents "cachés", des jets étouffés ou une émission isotrope provenant de TDE non dotés de jets restent viables mais sont contraints par le budget énergétique.
  • La limite supérieure calculée sur le flux de neutrinos diffus de tout le ciel provenant des TDE est actuellement faible ($\sim 10^{-7}$ GeV cm$^{-2}$ s$^{-1}$ sr$^{-1}$) par rapport au flux observé d'IceCube, mais les auteurs notent que cela s'améliorera avec des données futures.

Signification et Revendications
L'article affirme être la première recherche d'empilement corrélant l'ensemble de données IceCube HESE avec un catalogue spécifique de TDE observés. La principale signification réside dans le fait d'établir que les données actuelles ne soutiennent pas une corrélation forte, excluant ainsi les modèles où une grande fraction de TDE ($f_{jet} \gtrsim 0,6$) produit des rayons cosmiques extrêmement énergétiques ($E_{CR} \gtrsim 3 \times 10^{53}$ erg).

Les auteurs soulignent que leur méthodologie fournit un cadre pour placer des contraintes strictes sur les paramètres physiques des TDE à mesure que les statistiques s'améliorent. Ils déclarent explicitement qu'avec l'avènement de l'Observatoire Vera C. Rubin (LSST), qui devrait détecter environ 1000 TDE par an, et les futurs observatoires de neutrinos (IceCube-Gen2, KM3NeT, GRAND, etc.), les limites actuelles pourront être considérablement resserrées. L'analyse conclut modestement que, bien que les statistiques actuelles soient limitées, l'étude démontre le potentiel de contraindre le budget énergétique et les fractions de jet des TDE, offrant une voie pour comprendre leur rôle dans le ciel des neutrinos de haute énergie.