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

Resumo Técnico: Neutrinos de Alta Energia de Transientes Ópticos Impulsionados por Pulsares

Definição do Problema
A detecção recente de um evento de neutrino de ultra-alta energia (UHE), KM3-230213A, pela colaboração KM3NeT (energia do neutrino progenitor reconstruída de $\sim 220$ PeV), exige uma explicação para sua origem. Embora vários modelos astrofísicos e cosmogênicos tenham sido propostos, este trabalho investiga a hipótese de que o evento decorre de um fluxo difuso de neutrinos de alta energia produzido por uma população de transientes ópticos impulsionados por pulsares. Especificamente, os autores examinam se eventos de colapso de núcleo resultando em novos pulsares de milissegundo (magnetares) podem gerar a energia e a fluência de neutrinos necessárias para corresponder à normalização do "fluxo conjunto" derivada dos dados do KM3NeT, IceCube e Pierre Auger.

Metodologia
Os autores empregam um modelo físico abrangente de um motor central consistindo em um pulsar de milissegundo recém-nascido imerso em ejecta de supernova. O modelo rastreia a deposição da energia de spindown do pulsar em uma nebulosa circundante e a subsequente interação com a ejecta. Os componentes principais da metodologia incluem:

1. Física do Motor Central: A luminosidade de spindown ($L_{sd}$) é governada pelo período de rotação inicial ($P_i$) e pela força do campo magnético dipolar ($B_d$). O modelo assume $P_i \in [1, 10]$ ms e $B_d \in [10^{12}, 10^{15}]$ G. A energia de spindown é particionada em componentes térmicos, não térmicos, magnéticos e cinéticos.
2. Aceleração de Partículas: Prótons são acelerados via dois mecanismos: a região do capuz polar (atingindo $\sim 10^9$ GeV) e a região do choque de terminação (TS). Esses prótons acelerados interagem com fótons térmicos e não térmicos na nebulosa via processos fotomessônicos ($p\gamma$) para produzir neutrinos de alta energia.
3. Classes de Transientes: O estudo examina três classes distintas de transientes ópticos impulsionados por tais pulsares, diferenciadas principalmente pela massa da ejecta ($M_{ej}$) e composição:
   • Supernovas de Colapso de Núcleo Ordinárias (CCSNe): $M_{ej} \approx 2,23 M_\odot$, velocidade de ejecta mais lenta ($\sim 0,05c$).
   • Superluminosas Supernovas (SLSNe): Massa de ejecta semelhante às CCSNe, mas impulsionadas por motores centrais mais energéticos.
     est. Transientes Azuis Rápidos Luminosos (LFBOTs): Baixa massa de ejecta ($M_{ej} \approx 0,1 M_\odot$), alta velocidade de ejecta ($\sim 0,24c$) e composição dominada por hidrogênio/hélio.
4. Varredura do Espaço de Parâmetros: Os autores realizam uma varredura sistemática no espaço de parâmetros $B_d - P_i$ para determinar as propriedades resultantes da curva de luz óptica (magnitude de pico $M_{AB}$, tempo de queda $t_-$) e as características de emissão de neutrinos (fluência de energia total $E_{\nu, tot}$, energia de pico do neutrino $\epsilon_{\nu}^{peak}$).
5. Cálculo do Fluxo Difuso: A fluência de neutrino de fonte única necessária para corresponder ao fluxo difuso observado é calculada usando densidades de taxa de transientes locais ($\dot{\rho}_0$) e a constante de Hubble.

Resultados Principais
A varredura do espaço de parâmetros produz os seguintes achados críticos:

• Restrições Ópticas:
  • SNe Ordinárias: Tipicamente exibem $M_{AB} \sim -17$ e tempos de queda $t_- \sim 25$ dias. Elas requerem $B_d$ mais baixo e $P_i$ mais alto.
    • SLSNe: Exibem $M_{AB} \sim -21$ e $t_- \sim 40$ dias, favorecendo $P_i$ mais baixo e $B_d$ mais alto.
  • LFBOTs: Exibem $M_{AB} \sim -22$ e tempos de queda rápidos $t_- \sim 6$ dias. Esta classe requer pulsares de rotação muito rápida ($P_i < 5$ ms) e campos magnéticos fortes ($B_d > 10^{13}$ G) para atingir a luminosidade de pico necessária dada a sua baixa massa de ejecta.
• Capacidades de Emissão de Neutrinos:
  • SNe Ordinárias: A energia total de neutrino é limitada a $\sim 10^{46} - 10^{47}$ erg, com energias de pico de neutrino $\epsilon_{\nu}^{peak} < 10^7$ GeV. Isso fica aquém dos requisitos de energia para o evento KM3NeT.
  • SLSNe e LFBOTs: Ambas as classes podem produzir energias de neutrino totais $\gtrsim 10^{48}$ erg com energias de pico na faixa de $10^7 - 10^8$ GeV, correspondendo ao regime UHE.
• Viabilidade para KM3-230213A:
  • Embora ambas as classes, SLSNe e LFBOTs, possuam o poder do motor central necessário para produzir neutrinos UHE, os LFBOTs são identificados como a fonte mais plausível.
  • Um conjunto específico de parâmetros de LFBOT ($P_i = 1,6$ ms, $B_d = 6 \times 10^{13}$ G) é destacado como o contribuidor dominante para o fluxo difuso. Esta configuração produz uma energia e fluência de pico de neutrino consistentes com a normalização do fluxo conjunto.
  • Embora SLSNe individuais possam produzir energias de neutrino comparáveis, a população de LFBOTs é favorecida porque suas massas de ejecta mais baixas permitem uma gama mais ampla de parâmetros para satisfazer as restrições de energia de pico ($\epsilon_{\nu}^{peak}$), e suas energias de pico sistematicamente mais altas alinham-se melhor com o espectro difuso necessário para explicar o evento.

Significância e Alegações
O artigo conclui que um fluxo difuso de neutrinos originado de uma população de LFBOTs, impulsionados por novos pulsares de milissegundo, fornece uma explicação astrofísica plausível para o evento de neutrino UHE KM3Net KM3-230213A. Os autores afirmam que os LFBOTs são idealmente adequados para reproduzir os níveis de energia e fluência de neutrinos necessários sem violar as restrições das observações ópticas. Consequentemente, o trabalho sugere que os transientes ópticos impulsionados por pulsares, particularmente os LFBOTs, representam fontes promissoras para telescópios de neutrinos de alta e ultra-alta energia atuais e futuros. O estudo não pretende provar definitivamente essa origem, mas demonstra sua viabilidade teórica dentro do espaço de parâmetros explorado.