Development of new technologies and methods for next-generation gamma-ray telescopes

L’Astrofisica delle Alte Energie (AAE) è fondamentale per la comprensione di fenomeni stellari estremi ed eventi su scala cosmologica. Il campo della AAE è nato nel 1962, quando l’esperimento di Rossi e Giacconi portò alla scoperta delle prime sorgenti di raggi X extraterrestri. Nel corso degli ultimi settant’anni, sono stati fatti incredibili progressi relativamente alle tecnologie, tecniche e strumenti a disposizione per studiare il cielo X e gamma. Tuttavia, importanti questioni risultano ancora aperte, soprattutto nel regime dei raggi X duri e gamma molli, es: quale sia l’origine della linea di annichilazione e+/e- dal centro galattico, qual è la natura del motore centrale delle esplosioni dei lampi gamma (gamma-ray bursts, GRB) e molti altri. La strumentazione attuale non dispone di sufficienti capacità di localizzazione, risoluzione spaziale, sensibilità, per affrontare questi problemi, né ha capacità di effettuare misure polarimetriche. Lo scopo di questa tesi è quindi di esplorare ed avanzare le tecnologie ed i metodi che ci permetteranno di superare queste limitazioni e, allo stesso tempo, di prepararci a sfruttare in modo ottimale le prossime missioni di AE. Descriveremo nello specifico i recenti progressi che abbiamo ottenuto nell’aumentare il livello tecnologico delle lenti di Laue per usi astrofisici. Le lenti di Laue sono ottiche per raggi X/gamma innovative, vasato sulla legge della diffrazione di Bragg, che possono permetterci di costruire strumenti focalizzanti per AE capaci di operare oltre il limite di ∼70 keV (ottenuto dalla missione NuSTAR attraverso l’impiego di ottiche ad incidenza radente multi-layer) ed arrivare fino a∼ 700 keV. L’implementazione di ottiche focalizzanti per raggi gamma molli porterà ad un significativo aumento nella sensibilità dei nostri strumenti, fino a 3 ordini di magnitudine in più rispetto a strumenti a vista diretta. Descriveremo il design del concetto di missione spaziale ASTENA, sottomesso alla call ESA “Voyage 2050” e basato su questo tipo di ottiche. ASTENA porterà due strumenti: il Wide Field Monitor (WFM), un rivelatore a campo ampio con capacità di imaging e spettrometria, ed il Narrow Field Telescope (NFT), un telescopio per raggi gamma molli bassato su una lente di Laue. I nostri sforzi si sono concentrati sull’ottimizzare e caratterizzare questi due strumenti. In questo lavoro, nello specifico, ci siamo concentrati sullo stimare le capacità polarimetriche di NFT e WFM, in modo da comprendere come questi strumenti potranno giocare un ruolo nel campo della polarimetria delle alte energie. Infine, siccome progressi tecnologici devono sempre essere accompagnati da progressi metodologici, abbiamo affrontato una questione di vecchia data nel campo dei lampi gamma: trovare un metodo consistente ed affidabile per simulare curve di luce (LC) dei GRB. LC simulate sono utilizzate per ottimizzare future missioni spaziali e caratterizzare le attuali osservazioni; tuttavia, la simulazione di curve di luce è una sfida complessa, in quanto gli attuali modelli fisici basati sul paradigma degli shock interni non sono capaci di riprodurre la grande diversità morfologica delle LC osservate. D’altro canto, costruire template di LC a partire da altri strumenti/missioni richiede di disaccoppiare in maniera opportuna il segnale reale dal rumore. In questo lavoro, abbiamo investigato un nuovo approccio di simulazione basato su un modello stocastico combinato a moderni algoritmi di machine learning. Obiettivo di questa tesi è stato lo sviluppo di tecnologie innovative per progredire la strumentazione per astrofisica delle alte energie da differenti punti di vista interconnessi. Allo stesso tempo, abbiamo iniziato ad esplorare nuove tecniche basate sull’intelligenza artificiale, che necessariamente giocheranno un ruolo fondamentale nello studio delle future missioni per AE e nel campo dei lampi gamma.

High Energy Astrophysics (HEA) studies are fundamental to understanding extreme stellar and cosmological scale phenomena. The field of HEA was born in 1962, with Rossi and Giacconi’s rocket experiment leading to the discovery of the first extraterrestrial X-ray sources. Over the last seventy years, vast improvements have been made in technologies, techniques, and instruments to study the X and gamma-ray sky. However, outstanding questions are still open, in particular in the hard X-/soft gamma-ray regime: for example, the origin of the e+/e− annihilation line coming from the galactic centre, the nature of the engine that powers gamma ray bursts’ (GRBs) explosions, the geometry and explosion mechanisms of supernova emission, and many more. The currently available instrumentation lacks sufficient localisation capabilities, spatial and energetic resolution, sensitivity, and the ability to perform polarimetric measurements. Such limitations have thus hindered further advancements in the HEA field. In this context, this thesis aims to explore and advance the technologies and methods that will allow us to overcome such limits and prepare us for an optimal exploitation of upcoming HE missions. We will focus specifically on the recent progress we made in advancing the technological readiness of Laue lenses for astrophysics applications. Laue lenses are innovative hard X/soft gamma-ray optics based on Bragg’s diffraction law, allowing HE focusing instruments to operate beyond the current limit of ∼70 keV, based on multi-layer grazing incident mirrors (as in the NuSTAR mission), to ∼700 keV. The implementation of soft gamma-ray focusing optics will result in a significant increase in sensitivity, up to three orders of magnitude higher than direct view instruments. We will describe the design of a new space mission concept based on this type of optics: the Advanced Surveyor for Transient Events and Nuclear Astrophysics (ASTENA), proposed to ESA for the call "Voyage 2050". ASTENA will include two instruments: the Wide Field Monitor (WFM), a wide field detector with both imaging and spectrometric capabilities, and the Narrow Field Telescope (NFT), a soft gamma-ray telescope based on a Laue lens. We concentrated our efforts on optimising the design of those two instruments and characterising their properties to meet several scientific requirements. In this work, we specifically focused on estimating the polarimetric capabilities of both NFT and WFM to understand how those instruments can play a new competitive role in high-energy polarimetry. Finally, technological advancements should always be accompanied by new methodological advancements. We focused on a long-standing challenge in the GRB field: finding a robust and reliable way to simulate light curves (LCs) of GRB events. GRBs are among the most fascinating sources observed in the high-energy sky, and mock GRB LCs can be used to exploit future HE missions optimally and characterise current GRB observations. However, simulating their light curves remains challenging since physical models based on the internal shock paradigm fail to reproduce the diversity of the observed LCs’ morphologies. On the other hand, by constructing LC templates from other instruments/missions, one faces the challenge of properly decoupling the real signal from the noise. This work investigates a new approach to simulate GRB LCs based on stochastic models combined with modern machine learning techniques. This thesis work aims to develop innovative technologies to advance our instrumentation for high-energy astrophysics from different, interconnected points of view. At the same time, we start exploring new artificial intelligence-based techniques, which inevitably will play a key role in the analysis of upcoming HE missions, particularly in the ever-expanding field of GRBs.