High energy neutrinos from pulsar-powered optical transients: LFBOTs as potential origin of the KM3NeT event KM3-230213A

Résumé Technique : Neutrinos de Haute Énergie issus de Transitoires Optiques Alimentés par des Pulsars

Énoncé du Problème
La détection récente d'un événement de neutrino à ultra-haute énergie (UHE), KM3-230213A, par la collaboration KM3NeT (énergie du neutrino parent reconstruite $\sim 220$ PeV), nécessite une explication de son origine. Alors que divers modèles astrophysiques et cosmogéniques ont été proposés, ce travail étudie l'hypothèse selon laquelle l'événement provient d'un flux diffus de neutrinos à haute énergie produits par une population de transitoires optiques alimentés par des pulsars. Plus précisément, les auteurs examinent si des événements de effondrement de cœur aboutissant à la formation de nouveaux pulsars millisecondes (magnétars) peuvent générer l'énergie et la fluence de neutrinos requises pour correspondre à la normalisation du « flux conjoint » dérivée des données de KM3NeT, IceCube et Pierre Auger.

Méthodologie
Les auteurs emploient un modèle physique complet d'un moteur central constitué d'un pulsar milliseconde nouvellement né, enchâssé dans l'éjecta d'une supernova. Le modèle suit le dépôt de l'énergie de spindown du pulsar dans une nébuleuse environnante et l'interaction subséquente avec l'éjecta. Les composantes clés de la méthodologie incluent :

1. Physique du Moteur Central : La luminosité de spindown ($L_{sd}$) est régie par la période de rotation initiale ($P_i$) et l'intensité du champ magnétique dipolaire ($B_d$). Le modèle suppose $P_i \in [1, 10]$ ms et $B_d \in [10^{12}, 10^{15}]$ G. L'énergie de spindown est répartie en composantes thermiques, non thermiques, magnétiques et cinétiques.
2. Accélération de Particules : Les protons sont accélérés via deux mécanismes : la région de la calotte polaire (atteignant $\sim 10^9$ GeV) et la région du choc de terminaison (TS). Ces protons accélérés interagissent avec les photons thermiques et non thermiques dans la nébuleule via des processus de photomésons ($p\gamma$) pour produire des neutrinos de haute énergie.
3. Classes de Transitoires : L'étude passe en revue trois classes distinctes de transitoires optiques alimentés par ces pulsars, différenciées principalement par la masse de l'éjecta ($M_{ej}$) et la composition :
   • Supernovae de Effondrement de Cœur Ordinaires (CCSNe) : $M_{ej} \approx 2,23 M_\odot$, vitesse d'éjecta plus lente ($\sim 0,05c$).
   • Super-Lumineuses Supernovae (SLSNe) : Masse d'éjecta similaire aux CCSNe mais alimentées par des moteurs centraux plus énergétiques.
   • Luminous Fast Blue Optical Transients (LFBOTs) : Faible masse d'éjecta ($M_{ej} \approx 0,1 M_\odot$), vitesse d'éjecta élevée ($\sim 0,24c$), et composition dominée par l'hydrogène et l'hélium.
4. Balayage de l'Espace des Paramètres : Les auteurs scannent systématiquement l'espace des paramètres $B_d - P_i$ pour déterminer les propriétés de la courbe de lumière optique résultante (magnitude de pic $M_{AB}$, temps de décroissance $t_-$) et les caractéristiques d'émission de neutrinos (fluence d'énergie totale $E_{\nu, tot}$, énergie de pic des neutrinos $\epsilon_{\nu}^{peak}$).
5. Calcul du Flux Diffus : La fluence de neutrino de source unique requise pour correspondre au flux diffus observé est calculée en utilisant les densités de taux de transitoires locaux ($\dot{\rho}_0$) et la constante de Hubble.

Résultats Clés
Le balayage de l'espace des paramètres produit les conclusions critiques suivantes :

• Contraintes Optiques :
  • SNe Ordinaires : Présentent typiquement $M_{AB} \sim -17$ et des temps de décroissance $t_- \sim 25$ jours. Elles requièrent un $B_d$ plus faible et un $P_i$ plus élevé.
  • SLSNe : Présentent $M_{AB} \sim -21$ et $t_- \sim 40$ jours, favorisant un $P_i$ plus faible et un $B_d$ plus élevé.
  • LFBOTs : Présentent $M_{AB} \sim -22$ et des temps de décroissance rapides $t_- \sim 6$ jours. Cette classe nécessite des pulsars tournant très rapidement ($P_i < 5$ ms) et des champs magnétiques forts ($B_d > 10^{13}$ G) pour atteindre la luminosité de pic nécessaire compte tenu de leur faible masse d'éjecta.
• Capacités d'Émission de Neutrinos :
  • SNe Ordinaires : L'énergie totale des neutrinos est limitée à $\sim 10^{46} - 10^{47}$ erg, avec des énergies de neutrinos de pic $\epsilon_{\nu}^{peak} < 10^7$ GeV. Cela est insuffisant pour répondre aux exigences énergétiques de l'événement KM3NeT.
  • SLSNe et LFBOTs : Les deux classes peuvent produire des énergies de neutrinos totales $\gtrsim 10^{48}$ erg avec des énergies de pic dans la plage de $10^7 - 10^8$ GeV, correspondant au régime UHE.
• Viabilité pour KM3-230213A :
  • Bien que les SLSNe et les LFBOTs possèdent tous deux la puissance du moteur central nécessaire pour produire des neutrinos UHE, les LFBOTs sont identifiés comme la source la plus plausible.
  • Un ensemble de paramètres spécifique pour les LFBOTs ($P_i = 1,6$ ms, $B_d = 6 \times 10^{13}$ G) est mis en évidence comme le contributeur dominant au flux diffus. Cette configuration produit une énergie et une fluence de neutrinos de pic cohérentes avec la normalisation du flux conjoint.
  • Bien que des SLSN individuelles puissent produire des énergies de neutrinos comparables, la population de LFBOT est privilégiée car leurs masses d'éjecta plus faibles permettent une gamme plus large de paramètres pour satisfaire les contraintes d'énergie de pic ($\epsilon_{\nu}^{peak}$), et leurs énergies de pic moyennes systématiquement plus élevées s'alignent mieux avec le spectre diffus requis pour expliquer l'événement.

Signification et Revendications
L'article conclut qu'un flux de neutrinos diffus provenant d'une population de LFBOTs, alimentés par de nouveaux pulsars millisecondes, fournit une explication astrophysique plausible pour l'événement KM3Net KM3-230213A. Les auteurs affirment que les LFBOTs sont idéalement adaptés pour reproduire les niveaux d'énergie et de fluence de neutrinos requis sans violer les contraintes des observations optiques. Par conséquent, ce travail suggère que les transitoires optiques alimentés par des pulsars, particulièrement les LFBOTs, représentent des sources prometteuses pour les télescopes de neutrinos de haute et ultra-haute énergie actuels et futurs. L'étude ne prétend pas prouver définitivement cette origine, mais démontre sa viabilité théorique dans l'espace des paramètres exploré.