The power of time evolution: properties of GRB sources inferred from temporal studies and simulations.

A partire dalla loro scoperta, notevoli sono stati i progressi nella nostra capacità di identificare, osservare e comprendere la fisica dei Gamma-Ray Bursts (GRB). L'introduzione di nuovi detector e telescopi ha migliorato la nostra capacità di rilevare e raccogliere dati più dettagliati sui GRB: missioni come il Compton Gamma-Ray Observatory, BeppoSAX, Neil Gehrels Swift Observatory e il Fermi Gamma-ray Space Telescope hanno contribuito significativamente allo studio dei GRB. Le osservazioni multi-messaggere, comprese quelle radio, infrarosse, ottiche, insieme alle misurazioni delle onde gravitazionali, ci hanno fornito una visione più profonda della fisica che li governa e delle loro origini, come la comprensione di una stretta connessione tra i GRB brevi, le kilinovae e il merger di oggetti compatti. Inoltre, gli studi sulla polarizzazione hanno aiutato a rivelare dettagli sulla sorgente e sulla regione di emissione. Tuttavia, restano ancora molte domande aperte: come possiamo, ad esempio, migliorare le nostre capacità di rilevamento sia dei GRB che delle kilinovae? Lo studio dell'emissione prompt, così ricco di informazioni poiché emesso in prossimità della sorgente, può fornirci informazioni sulla natura del progenitore? Nella mia ricerca di dottorato, ho concentrato la mia attività sull'ottimizzazione dell'identificazione dei GRB con il satellite THESEUS, sulla comprensione dell'attività del motore interno dei GRB e delle proprietà del suo getto dallo studio della minima variabilità temporale, sulla ricerca delle strategie più adatte per l'osservazione delle kilinovae con telescopi di medie dimensioni: 1) THESEUS (Transient High Energy Sky and Early Universe Surveyor) è una proposta di missione spaziale dedicata allo studio dei GRB, selezionata dall'ESA per uno studio di Fase-A come candidato M7. Il mio obiettivo è stato quello di testare l'efficienza di diversi algoritmi, in particolare mepsa (Guidorzi, 2015), che potrebbero essere implementati a bordo di THESEUS nel rilevare eventi GRB. A questo scopo ho eseguito simulazioni delle curve di luce dei GRB assumendo una griglia di valori dei parametri (energia di picco, fluence, direzione di provenienza dell'evento). 2) Le curve di luce dei GRB mostrano spesso variazioni nella loro intensità su diverse scale temporali. La Minimum Variability Timescale (MVT) è l'intervallo temporale più piccolo in cui queste fluttuazioni, che devono superare significativamente il rumore di Poisson, possono essere misurate e quantificate in modo affidabile. La MVT può offrire informazioni sul motore centrale responsabile della generazione dei bursts: è possibile ad esempio dedurre dal suo studio i meccanismi fisici caratteristici e la dimensione della regione in cui avviene il rilascio di energia. Il mio obiettivo è stato quello di caratterizzare la MVT per un campione di GRB nell'intervallo energetico keV-MeV e testare le correlazioni con altre osservabili chiave, come la luminosità di picco, il fattore di Lorentz e l'angolo di apertura del getto. Nel mio lavoro ho considerato GRB di Swift e di Insight-HXMT. 3) Durante il mio percorso accademico, ho avuto l'opportunità di collaborare con il personale dell’Università John Moores di Liverpool, dove ho concentrato il mio studio sull'ottimizzazione delle prestazioni del Liverpool Telescope con gli strumenti IO:O (telecamera ottica) e MOPTOP (Polarimetro Ottico Multicolore Ottimizzato). La mia ricerca mirava a potenziare le loro capacità osservative nello studio delle kilinovae (KNe). Ho utilizzato curve di luce di KNe simulate in diverse bande ottenute con il codice POlarization Spectral Synthesis In Supernovae (POSSIS; Bulla, 2019). Aggiungendo l'appropriato il rumore di conteggio dei fotoni alle curve di luce e di polarizzazione sintetiche, ho studiato quali sequenze di osservazioni temporali e filtri potrebbero fornire migliori risultati per descrivere le proprietà delle kilonovae.

Since their discovery, there has been notable advancement in our ability to identify, observe, and comprehend the physics behind gamma-ray bursts (GRBs). The introduction of new detectors and both space-based and ground-based telescopes has greatly improved our ability to detect and collect more detailed data on GRBs: missions such as the Compton Gamma-Ray Observatory, BeppoSAX, the Neil Gehrels Swift Observatory, and the Fermi Gamma-ray Space Telescope have significantly contributed to GRB observations. Multi-messenger observations, including radio, infrared, optical, along with gravitational waves measurements, provide us with an increasingly more comprehensive understanding of GRBs. This has led to a deeper insight into their physics and origins, such as the understanding of a close connection between short GRBs, kilonovae, and compact object mergers. Moreover, studies of the polarization of GRB radiation can help reveal details about the source and emission region. However, there are still many open questions: i.e., how can we improve our detection capabilities for both GRBs and kilonovae? Can the study of the prompt emission, so potentially rich in information as it is emitted in close proximity to the source and linked to the composition of the outflow, provide us with information about the nature of the progenitor? In my Ph.D. research, I focused my activity on optimizing the identification of GRBs with THESEUS satellite, on the comprehension of GRBs imprint of the inner engine activity and jet properties from the study of the minimum variability timescale (MVT), and on finding the most suitable strategies for kilonovae observation with medium-size telescope: 1) THESEUS (Transient High Energy Sky and Early Universe Surveyor) is a proposed space mission devoted to the study of GRBs; it is one of the three mission concepts selected by ESA for a Phase-A study as M7 candidates. My aim was to test the efficiency of different algorithms, in particular mepsa (Guidorzi 2015), that could be implemented aboard of THESEUS in detecting GRB events. To this goal, I carried out GRB light curve simulations assuming a grid of parameter values (peak energy, fluence, directions). 2) GRBs light curves often exhibit fluctuations or variations in their intensity over different timescales. The MVT is the smallest time interval at which these fluctuations, which must significantly exceed the Poisson counting noise, can be reliably measured and quantified. MVT can offer clues about the central engine responsible for generating these bursts: we can infer the physical mechanisms and the size of the region where the energy release occurs. Also, it is linked to the physical conditions and processes within the GRB's emission region. My aim was to characterize the MVT for a sample of GRBs in the keV–MeV energy range and test correlations with other key observables, such as the peak luminosity, the Lorentz factor, and the jet opening angle. In my work I considered Swift GRBs and Insight Hard Modulation X-ray Telescope GRBs. 3) During my academic path, I had the opportunity to collaborate closely with the staff of the Astrophysics Research Institute of the John Moores University of Liverpool, where I focused my study on the performance optimization of the Liverpool Telescope with IO:O (an optical camera) and MOPTOP (Multicolor Optimized Optical Polarimeter) instruments. My research aimed to enhance their observational capabilities in studying kilonovae (KNe). I made extensive use of simulated multifilter lightcurves of KNe obtained with the POlarization Spectral Synthesis In Supernovae (POSSIS; Bulla, 2019) code. By adding the appropriate photon counting noise to the synthetic light curves, I studied which temporal observation sequences and filters could provide better results for constraining the properties of kilonovae. A similar work is being developed with polarization curves as seen by MOPTOP and the Liverpool Telescope.