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

技术摘要：脉冲星驱动的光学瞬变源产生的高能中微子

问题陈述
最近由 KM3NeT 合作组探测到的超高能（UHE）中微子事件 KM3-230213A（重建的母中微子能量 $\sim 220$ PeV），需要一个对其起源的解释。虽然已经提出了各种天体物理和宇宙成因模型，但本研究调查了这样一种假设：该事件源于由脉冲星驱动的光学瞬变源组成的弥散通量。具体而言，作者研究了导致新形成毫秒脉冲星（磁星）的坍缩事件，是否能够产生所需的能量和通量，以匹配从 KM3NeT、IceCube 和 Pierre Auger 数据中导出的“联合通量”归一化。

方法论
作者采用了一个综合物理模型来描述中心引擎，该引擎由嵌入在超新星抛射物中的新诞生毫秒脉冲星组成。该模型追踪了脉冲星自转能耗（spindown energy）向周围星云的沉积，以及随后与抛射物的相互作用。方法论的关键组成部分包括：

1. 中心引擎物理学： 自转光度 ($L_{sd}$) 受初始自转周期 ($P_i$) 和偶极磁场强度 ($B_d$) 控制。模型假设 $P_i \in [1, 10]$ ms 且 $B_d \in [10^{12}, 10^{15}]$ G。自转能被分配为热能、非热能、磁能和动能成分。
2. 粒子加速： 质子通过两种机制进行加速：极区区域（可达 $\sim 10^9$ GeV）和终止冲击（TS）区域。这些加速的质子通过光质子（$p\gamma$）过程与星云中的热光子和非热光子相互作用，从而产生高能中微子。
3. 瞬变源类别： 研究调查了三类由此类脉冲星驱动的光学瞬变源，主要通过抛射物质量 ($M_{ej}$) 和成分进行区分：
   • 普通核心坍缩超新星 (CCSNe)： $M_{ej} \approx 2.23 M_\odot$，抛射物速度较慢 ($\sim 0.05c$)。
   • 超亮超新星 (SLSNe)： 与 CCSNe 具有相似的抛射物质量，但由更强大的中心引擎驱动。
   • 发光快速蓝光学瞬变源 (LFBOTs)： 低抛射物质量 ($M_{ej} \approx 0.1 M_\odot$)，高抛射物速度 ($\sim 0.24c$)，且以氢/氦为主。
4. 参数空间扫描： 作者系统地扫描了 $B_d - P_i$ 参数空间，以确定产生的光学光变曲线特性（峰值星等 $M_{AB}$、下降时间 $t_-$）和中微子发射特性（总中微子能量通量 $E_{\nu, tot}$、峰值中微子能量 $\epsilon_{\nu}^{peak}$）。
5. 弥散通量计算： 使用局部瞬变源速率密度 ($\dot{\rho}_0$) 和哈勃常数，计算了匹配观测到的联合弥散通量所需的单源中微子通量。

关键结果
对参数空间的调查得出了以下关键发现：

• 光学约束：
  • 普通超新星 (SNe)： 通常表现出 $M_{AB} \sim -17$ 和 $t_- \sim 25$ 天。它们需要较低的 $B_d$ 和较高的 $P_i$。
  • 超亮超新星 (SLSNe)： 表现出 $M_{AB} \sim -21$ 和 $t_- \sim 40$ 天，倾向于较低的 $P_i$ 和较高的 $B_d$。
  • LFBOTs： 表现出 $M_{AB} \sim -22$ 和快速下降时间 $t_- \sim 6$ 天。由于其低抛射物质量，该类别需要极快的自转脉冲星（$P_i < 5$ ms）和强磁场（$B_d > 10^{13}$ G）才能实现必要的峰值光度。
• 中微子发射能力：
  • 普通超新星 (SNe)： 总中微子能量被限制在 $\sim 10^{46} - 10^{47}$ erg，峰值中微子能量 $\epsilon_{\nu}^{peak} < 10^7$ GeV。这不足以满足 KM3NeT 事件的能量要求。
  • SLSNe 和 LFBOTs： 这两类都可以产生 $\gtrsim 10^{48}$ erg 的总中微子能量，且峰值能量在 $10^7 - 10^8$ GeV 范围内，符合超高能（UHE）机制。
• 对 KM3-230213A 的适用性：
  • 虽然 SLSNe 和 LFBOTs 都具备产生 UHE 中微子的必要中心引擎功率，但 LFBOTs 被确定为最可能的来源。
  • 一个特定的 LFBOT 参数集（$P_i = 1.6$ ms，$B_d = 6 \times 10^{13}$ G）被强调为弥散通量的主要贡献者。该配置产生的峰值中微子能量和通量与联合通量归一化一致。
  • 尽管单个 SLSNe 可以产生相当的中微子能量，但 LFBOT 群体更受青睐，因为它们的较低抛射物质量允许更广泛的参数范围来满足峰值能量 ($\epsilon_{\nu}^{peak}$) 约束，并且它们系统性更高的群体平均峰值能量更好地符合解释该事件所需的弥散谱。

意义与主张
论文得出结论，源自 LFBOT 群体（由新形成的毫秒脉冲星驱动）的弥散中微子通量，为 KM3NeT 事件 KM3-230213A 提供了一个合理的天体物理学解释。作者断言，LFBOTs 非常适合在不违反光学观测约束的情况下，重现所需的中微子能量和通量水平。因此，这项工作表明，脉冲星驱动的光学瞬变源（特别是 LFBOTs）是当前及未来高能与超高能中微子望远镜的重要候选来源。该研究并不声称已确定证明了这一起源，而是展示了其在所探索的参数空间内的理论可行性。