Taking time to understand gamma-ray bursts: temporal variability as a probe of the inner engines and progenitors

L’obiettivo della mia tesi è stato lo studio dei lampi di raggi gamma (GRB), eventi potenti e di breve durata prodotti a distanze cosmologiche da fenomeni catastrofici, come il collasso di una stella massiccia o la coalescenza di due oggetti compatti. Fin dalla loro scoperta, i GRB e la loro successiva emissione di afterglow sono stati sistematicamente osservati attraverso l'intero spettro elettromagnetico, dalle onde radio ai raggi gamma, fino alle energie del TeV. Tuttavia, molte domande rimangono ancora senza risposta: quale meccanismo genera l’emissione prompt in raggi gamma? Cosa determina l’estrema variabilità osservata nelle curve di luce dei GRB? È possibile identificare la natura del sistema progenitore di un GRB a partire dal profilo temporale della sua emissione prompt? Nel mio lavoro di dottorato mi sono concentrato in particolare sullo studio delle proprietà temporali dell’emissione prompt dei GRB. A questo scopo, ho utilizzato l’algoritmo Multiple Excess Pattern Search Algorithm (MEPSA) per identificare e caratterizzare la variabilità temporale nelle curve di luce dei GRB. L’utilizzo di questo algoritmo ha portato a diversi studi specifici: (i) l’indagine della presenza di criticit\`a auto-organizzata, in inglese ``self-organised criticality'' (SOC), nell’emissione prompt dei GRB; (ii) l’identificazione di due componenti di variabilità nei profili temporali dei GRB e lo studio della loro origine in modelli teorici e simulazioni numeriche; (iii) il calcolo della variabilità temporale minima (MVT, dall'inglese ``minimum variability timescale''), un indicatore utile per la natura del progenitore del GRB; (iv) la scoperta di un insieme unico di proprietà temporali in un particolare GRB lungo, originato dalla coalescenza di due oggetti compatti (GRB\,230307A), probabilmente condiviso anche da altri eventi simili; (v) l’uso di equazioni differenziali stocastiche (SDE) per modellare l’emissione prompt dei GRB come un processo stocastico; (vi) l’esplorazione di metriche entropiche per caratterizzare la dinamica dell’emissione prompt e valutarne la natura stocastica o deterministica. I primi quattro punti hanno portato a pubblicazioni scientifiche su riviste con revisione tra pari. Lo scopo del primo studio è stato quello di fornire una descrizione precisa della dinamica dei GRB e vincolare il modo in cui il motore centrale rilascia energia nel tempo. Nel secondo studio abbiamo stabilito l’esistenza di due diverse dinamiche nelle curve di luce dei GRB, con importanti implicazioni per i modelli teorici. Gli ultimi due lavori propongono nuovi metodi per identificare gli eventi associati alle fusioni di oggetti compatti — tra le sorgenti più potenti di onde gravitazionali finora rilevate — direttamente dai loro profili temporali in raggi gamma. Le caratteristiche peculiari identificate nel nostro ultimo lavoro, mettono in discussione il modello comunemente accettato degli urti interni, secondo il quale non ci si aspetta alcuna variazione delle scale temporali osservate nella curva di luce. Insieme alla stima della MVT, essi offrono nuovi strumenti per riconoscere gli eventi prodotti da coalescenze di oggetti compatti e una serie di vincoli stringenti per i modelli teorici che cercano di spiegarli, un risultato di particolare rilevanza nell’alba dell’astronomia multi-messaggera. Gli ultimi due punti sono progetti in corso che richiedono ancora ulteriore lavoro. Il loro obiettivo è migliorare la caratterizzazione della complessa dinamica alla base dell’emissione prompt e determinare se il suo comportamento sia di natura stocastica o deterministica.

The aim of my thesis is the study of gamma-ray bursts (GRBs), powerful, short-lived events produced at cosmological distances by catastrophic phenomena, such as the collapse of a massive star or the coalescence of two compact objects. Since their discovery, GRBs and their following afterglow emission have been routinely scrutinised with observations across the whole electromagnetic spectrum, from radio to gamma-rays, up to TeV energies. Yet, many questions remain unanswered: what mechanism causes the prompt gamma-ray emission? What drives the extreme variability observed in GRB light curves? Can the nature of the GRB progenitor system be inferred from the temporal profile of the prompt emission? In my PhD research, I studied the temporal properties of the GRB prompt emission. To this end, I used the Multiple Excess Pattern Search Algorithm (MEPSA) to identify and characterise the temporal variability of GRB light curves. The use of this algorithm led to several dedicated studies: (i) investigation of the presence of self-organised criticality (SOC) in the GRB prompt emission; (ii) identification of two variability components in GRB time profiles and the investigation of their origin in theoretical models and numerical simulations; (iii) computation of the minimum variability timescale (MVT), a useful indicator of the GRB progenitor nature; (iv) discovery of a unique set of temporal properties in a peculiar long GRB originating from compact object mergers (GRB\,230307A), possibly shared by other similar events; (v) use of stochastic differential equations (SDEs) to model GRB prompt emission as a stochastic process; (vi) exploration of entropy metrics to characterise the dynamics of the prompt emission and assess its stochastic versus deterministic nature. The first four points have led to scientific publications in peer-reviewed journals. The goal of the first study was to provide a precise description of the GRB dynamics and to constrain the way the central engine releases its energy over time. In the second study, we established that there are two different dynamics in GRB light curves, which could have strong implications on the possible interpretations. The last two works provide ways to identify events associated with compact object mergers, which are among the strongest sources of gravitational waves detected so far, directly from their early gamma-ray time profiles. The peculiar features identified in our last work, especially the observed pulse width increase, challenge the commonly accepted picture of the internal shocks model in which no variation of this timescale is expected. Along with the estimate of the MVT, they also offer new methods for identifying events from compact object mergers along with a constraining set of properties for the theoretical models, a development of particular relevance at the dawn of multi-messenger astronomy. The last two points correspond to ongoing projects that require additional development. They aim to provide a more comprehensive characterisation of the complex dynamics governing the prompt emission and to assess whether its variability is stochastic or deterministic in nature.