Esplorare la Fisica Fondamentale con le Supernove Core-Collapse: Spunti da una Prospettiva Multimessaggera

This Thesis investigates the potential of Core-Collapse Supernovae (CC SNe) as powerful laboratories to probe both standard and non-standard physics, emphasizing how the adoption of a truly multimessenger perspective may shed light on otherwise inaccessible physical phenomena. In particular, SNe have emerged as one of the most promising laboratories to study axion phenomenology. Consequently, the first part of this work is dedicated to an analyses of possible axion-induced indirect signatures imprinted in the SN cooling processes and gamma-ray emission, as well as perspectives for direct detection of SN axions in ground-based detectors. The gravitational-wave signal expected from a next galactic SN is further characterized, highlighting how it might provide a decisive insight into the mechanisms which drive the explosion. The final part of the thesis discusses the physics potential of isolated neutron stars -the cold, compact remnants of SN events- to set stringent constraints on the dark scalar sector. Overall, this study underlines the power of multimessenger astrophysics in investigating the exotic physical phenomena taking place in the core of massive stars undergoing a SN explosion.

Questa tesi indaga il potenziale delle supernove di tipo core-collapse come potenti laboratori per sondare sia la fisica standard sia quella oltre il Modello Standard, mettendo in evidenza come l’adozione di una prospettiva realmente multimessaggera possa far luce su fenomeni fisici altrimenti inaccessibili. In particolare, le supernove si sono affermate come uno dei laboratori più promettenti per lo studio della fenomenologia degli assioni. Di conseguenza, la prima parte di questo lavoro è dedicata all’analisi di possibili segnature indirette indotte da assioni, impresse nei processi di raffreddamento della supernova e nell’emissione di raggi gamma, così come alle prospettive di rivelazione diretta degli assioni prodotti in supernova tramite rivelatori sul Terra. Il segnale di onde gravitazionali atteso da una futura supernova galattica viene successivamente caratterizzato, mettendo in luce come esso possa fornire indicazioni decisive sui meccanismi che guidano l’esplosione. L’ultima parte della tesi discute invece il potenziale fisico delle stelle di neutroni isolate — i resti freddi e compatti degli eventi di supernova — nel porre vincoli stringenti sul settore degli scalari oscuri. Nel complesso, questo studio sottolinea la potenza dell’astrofisica multimessaggera nell’investigare i fenomeni fisici esotici che hanno luogo nel nucleo delle stelle massive durante un’esplosione di supernova.