20224MNC5A – “Life, death and after-death of massive stars: reconstructing the path from the pre-supernova evolution to the supernova remnant”

20224MNC5A – “Life, death and after-death of massive stars: reconstructing the path from the pre-supernova evolution to the supernova remnant”.

 

CUP: C53D23000870006

 

PI: Salvatore Orlando

Descrizione sintetica

Il progetto affronta un obiettivo di lunga data dell’astrofisica: stabilire il legame tra le proprietà fisiche e chimiche dei resti di supernova (SNR), i processi esplosivi delle supernovae (SN) e la natura delle stelle progenitrici. Attraverso un approccio multidisciplinare e sinergico, il progetto combina modelli numerici avanzati di evoluzione stellare, di supernovae e di resti di supernova (idrodinamici e magnetoidrodinamici 3D) con osservazioni multi-banda (radio, ottiche, X, infrarosse) per ricostruire il percorso che porta da una stella massiccia al suo resto di supernova.

Finalità e obiettivi

1. Collegare le proprietà osservabili dei resti di supernova (SNR) con la struttura delle stelle progenitrici e con i processi fisici delle esplosioni.

 

2. Studiare due aspetti chiave:

  •  Impronta dei sistemi progenitori sui resti di supernova: comprendere come la morfologia e la composizione di un SNR riflettano la struttura della stella al collasso e il mezzo circumstellare generato dalla perdita di massa.
  • Impronta delle anisotropie dell’esplosione: analizzare come le irregolarità e le asimmetrie generate subito dopo l’esplosione influenzino la struttura e l’evoluzione del SNR.

3. Integrare modellazione e osservazioni, potenziando la cooperazione tra gruppi di ricerca che tradizionalmente si occupano separatamente di evoluzione stellare, supernovae e resti di supernova.

Metodologia

  • Utilizzo dei codici numerici MESA, FRANEC, HYPERION, PROMETHEUS, FLASH e PLUTO per simulare l’intera evoluzione da stella a resto di supernova.
  • Analisi di osservazioni radio (ASKAP, MeerKAT), X (Chandra, XMM-Newton, XRISM), ottiche/IR (JWST).
  • Sviluppo di nuovi strumenti basati su machine learning e data mining per analizzare dati complessi multi-dimensionali.
  • Impiego del cluster HPC SCAN (INAF Palermo) e delle grandi facility nazionali (CINECA) per le simulazioni 3D di lungo termine.

Principali Risultati

  • Creazione di un quadro teorico più completo che colleghi evoluzione stellare, esplosione di supernova e morfologia del resto di supernova.
  • Produzione di modelli predittivi e osservabili sintetici (spettri, mappe di emissione, curve di luce) per guidare future osservazioni con i nuovi telescopi (SKA, Athena, CTA).
  • Sviluppo di strumenti di analisi innovativi basati su intelligenza artificiale per l’elaborazione di dati astrofisici complessi.
  • Diffusione e valorizzazione dei risultati attraverso pubblicazioni, conferenze e strumenti di divulgazione (grafica 3D e realtà virtuale tramite 3DMAP-VR).

Impatto scientifico

Il progetto consolida la posizione dell’Italia ai vertici nella ricerca su stelle massicce, supernovae e resti di supernova. Fornirà un riferimento teorico per interpretare le osservazioni multi-messenger (luce, raggi cosmici, neutrini, onde gravitazionali) e preparerà la comunità scientifica alle grandi missioni e osservatori del prossimo decennio (SKA, JWST, Athena, CTA).

Personale Coinvolto

 

Unità 1

  • Salvatore Orlando, Coordinatore del progetto (PI)
    Dirigente di Ricerca, INAF – Osservatorio Astronomico di Palermo
  • Fabrizio Bocchino
    Primo Ricercatore, INAF – Osservatorio Astronomico di Palermo
  • Grazia Umana
    Dirigente di Ricerca, INAF – Osservatorio Astrofisico di Catania
  • Corrado Trigilio
    Dirigente di Ricerca, INAF – Osservatorio Astrofisico di Catania
  • Stefano Cavuoti
    Primo Ricercatore, INAF – Osservatorio Astronomico di Capodimonte
  • Giuseppe Riccio
    Ricercatore, INAF – Osservatorio Astronomico di Capodimonte
  • Marco Limongi
    Dirigente di Ricerca, INAF – Osservatorio Astronomico di Roma

Unità 2

  • Marco Miceli, Responsabile di unità
    Professore Associato, Università degli Studi di Palermo
  • Salvatore Miccichè
    Professore Ordinario, Università degli Studi di Palermo

Personale reclutato nell’ambito del progetto

  • Vincenzo Sapienza
    Assegno di Ricerca di 2 anni, INAF – Osservatorio Astronomico di Palermo

Pubblicazioni su Riviste con Revisione tra Pari

 

– Refereed Papers 2026 (in preparation)

  1. Orlando et al. (2026)
    Fast-moving ejecta knots and their role in shaping the “Green Monster” in Cassiopeia A.
    Astronomy & Astrophysics, in preparation.
  2. Petruk et al. (2026)
    Probing the potential high-energy messengers of the anticipated T Coronae Borealis outburst.
    Astronomy & Astrophysics, in preparation.
  3. Weng et al. (2026a)
    Delayed Interacting Supernovae II. X-ray emission.
    Astronomy & Astrophysics, in preparation.
  4. Weng et al. (2026a)
    Delayed Interacting Supernovae I. Hydrodynamics Simulations.
    Astronomy & Astrophysics, in preparation.

 

– Refereed Papers 2025

  1. Giuffrida et al. (2025)
    Measuring the initial mass of 44Ti in SN 1987A through the 44Sc emission line.
    Astronomy & Astrophysics, 700, A254.
  2. Greco et al. (2025)
    Multi-wavelength study of the high Galactic latitude supernova remnant candidate G118.4+37.0 associated with the Calvera pulsar.
    Astronomy & Astrophysics, 701, A43.
  3. Loru et al. (2025a)
    The MeerKAT view on Galactic supernova remnants.
    Astronomy & Astrophysics, 692, A193.
  4. Loru et al. (2025b)
    Broadband radio study of the supernova remnant Kes 73.
    Astronomy & Astrophysics, 701, A211.
  5. Orlando et al. (2025a)
    Filamentary ejecta network in Cassiopeia A reveals fingerprints of the supernova explosion mechanism.
    Astronomy & Astrophysics, 696, A108.
  6. Orlando et al. (2025b)
    Origin of holes and rings in the Green Monster of Cassiopeia A: Insights from 3D magnetohydrodynamic simulations.
    Astronomy & Astrophysics, 696, A188.
  7. Orlando et al. (2025c)
    Tracing the ejecta structure of supernova 1987A: Insights and diagnostics from 3D magnetohydrodynamic simulations.
    Astronomy & Astrophysics, 699, A305.
  8. Orlando et al. (2025d)
    Predicting the X-ray signatures of the imminent T Coronae Borealis outburst through 3D hydrodynamic modeling.
    Astronomy & Astrophysics, 704, A144.
  9. Sapienza et al. (2025)
    Extreme anisotropies in deep layers of an exploding star: Overabundance of Cr in the northeastern jet of Cassiopeia A.
    The Astrophysical Journal Letters, 990(1), L5.
  10. Sun et al. (2025a)
    Evolution of X-ray gas in SN 1987A from 2007 to 2021: Ring fading and ejecta brightening unveiled through differential emission measure analysis.
    The Astrophysical Journal, 981(1), 26.
  11. Sun et al. (2025b)
    Unusual X-ray oxygen line ratios of SN 1987A arising from the absorption of Galactic hot interstellar medium.
    The Astrophysical Journal, 981(2), 120.
  12. Tramacere et al. (2025)
    Search for γ-ray emission from supernova remnants in the Large Magellanic Cloud: A new cluster analysis at energies above 4 GeV.
    Astronomy & Astrophysics, 697, A200.
  13. XRISM Collaboration (2025)
    Thermal and kinematic properties of ejecta in SN 1987A revealed by XRISM.
    Publications of the Astronomical Society of Japan, 77(Suppl. 1).

 

– Refereed Papers 2024

  1. De Looze et al. (2024)
    The Green Monster hiding in front of Cas A: JWST reveals a dense and dusty circumstellar structure pockmarked by ejecta interactions.
    The Astrophysical Journal Letters, 976(1), L4.
  2. Milisavljevic et al. (2024)
    A JWST survey of the supernova remnant Cassiopeia A.
    The Astrophysical Journal Letters, 965(2), L27.
  3. Ono et al. (2024)
    The impact of effective matter mixing based on three-dimensional hydrodynamical models on the molecule formation in the ejecta of SN 1987A.
    The Astrophysical Journal Supplement Series, 271(1), 33.
  4. Orlando et al. (2024a)
    Constraining the circumstellar medium structure and progenitor mass-loss history of interacting supernovae through 3D hydrodynamic modeling: The case of SN 2014C.
    The Astrophysical Journal, 977(1), 118.
  5. Ravi et al. (2024)
    Latest evolution of the X-ray remnant of SN 1987A: Beyond the inner ring.
    The Astrophysical Journal, 966(2), 147.
  6. Sapienza et al. (2024a)
    Probing shocked ejecta in SN 1987A: A novel diagnostic approach using XRISM-Resolve.
    The Astrophysical Journal Letters, 961(1), L9.
  7. Sapienza et al. (2024b)
    Time evolution of the synchrotron X-ray emission in Kepler’s supernova remnant: The effects of turbulence and shock velocity.
    The Astrophysical Journal, 973(2), 105.

 

– White Papers

  1. Orlando et al. (2024b)
    Unveiling the Physics of Core-Collapse Supernovae with the Line Emission Mapper: Observing Cassiopeia A.
    White Paper for the Line Emission Mapper (LEM) X-ray Probe concept proposed in response to NASA’s 2023 APEX call.

Presentazioni a Congresso o presso Centri di Ricerca Internazionali

 

– Talk su invito in congresso internazionale

  1. Orlando S., 2026 – Modeling Symbiotic Novae from Eruption to Remnant: Blast Wave Evolution in Inhomogeneous Ambient Media, invited talk, 46th COSPAR Scientific Assembly, Florence (Italy), 1–9 August 2026.
  2. Orlando S., 2026 – 3D Hydrodynamic Modeling of Nova Outbursts: Current Status and Future Directions, invited talk, Sexten Nova Meeting – Observations and Theory of Classical Nova Transients, Sexten (Italy), 29 June – 3 July 2026.
  3. Limongi M., 2025 – Presupernova Evolution of Massive Stars: Current Status and Future Directions, invited talk, SN2025gw: First IGWN Symposium on Core Collapse Supernova Gravitational Wave Theory and Detection, University of Warsaw, Warsaw (Poland), 21–25 July 2025.
  4. Limongi M., 2025 – Presupernova Evolution and Nucleosynthesis of 9–15 Solar Mass Stars, invited talk, European Astronomical Society Annual Meeting – Cosmic Chemical Enrichment: A Tale of Stars and Galaxies, Cork (UK), 23–27 June 2025.
  5. Orlando S., 2025 – Deciphering the Remnants of Core-Collapse Supernovae: Reconstructing Progenitor Star Properties and Explosion Mechanisms, invited talk, Multifrequency Behavior of High Energy Cosmic Sources XV, Mondello, Palermo (Italy), 9–14 June 2025.
  6. Orlando S., 2025 – 3D MHD Models of Supernova Remnants: Challenges and Missing Physics in Magnetic Field Evolution, invited talk, Lorentz Center Workshop – Exploring Supernova Remnant Physics in the Lab, Leiden (The Netherlands), 3–7 March 2025.
  7. Limongi M., 2025 – Evolution, Nucleosynthesis and Final Fate of Stars in the Mass Range 7–15 Solar Mass, invited talk, Key Reactions in Nuclear Astrophysics (KRINA2025), Trento (Italy), 17–21 February 2025.
  8. Orlando S., 2024 – Probing Supernova Physics and Circumstellar Medium Structure by Comparing Long-Term 3D Models with Supernova Remnant Observations, invited keynote talk, European Astronomical Society Annual Meeting, Padua (Italy), 1–5 July 2024.
  9. Limongi M., 2024 – Evolution, Explosion and Nucleosynthesis of Stars in the Mass Range 9–13 Solar Mass, invited talk, Cosmic Chemical Evolution – A Conference in Honour of Francesca Matteucci, Palinuro (Italy), 24–28 June 2024.
  10. Orlando S., 2024 – Probing the Life and Death of Massive Stars through Supernova Remnants, invited talk, 110th National Congress of the Società Italiana di Fisica, Bologna (Italy), 9–13 September 2024.
  11. Orlando S., 2024 – Revealing the Hidden Structures of Supernova Remnants: Possible Impact of 50 Milliarcsecond X-ray Observations, invited talk, Virtual Workshop – X-ray Horizons: The Era of 50 mas X-ray Imaging, 21–22 October 2024.
  12. Limongi M., 2024 – Evolution, Nucleosynthesis and Final Fate of Stars in the Mass Range 7–15 Solar Mass, invited talk, INAC International School OMEG2024 Pre-Symposium, Beihang University, Beijing (China), 2–6 September 2024.
  13. Orlando S., 2023 – Unveiling the Complexity: The Art of Modeling Interacting Supernova Remnants, invited talk, Lorentz Center Workshop – Supernova Remnants in Complex Environments, Leiden (The Netherlands), 9–13 October 2023.
  14. Limongi M., 2023 – Evolution and Final Fate of Stars in the Mass Range 7–15 Solar Mass: The Transition from AGB and SAGB Stars to ECSN and CCSN Progenitors, invited talk, Galactic Archaeology: Reconstructing the History of Galaxies, IFPU, Trieste (Italy), 9–13 October 2023.
  15. Orlando S., 2023 – Tracing Core-Collapse Supernova Echoes in Remnant Structures, invited talk, Anisotropies in Core-Collapse Supernova Explosions 2, Palermo (Italy), 23–26 October 2023.
  16. Limongi M., 2023 – Presupernova Evolution of Massive Stars, invited talk, Anisotropies in Core-Collapse Supernova Explosions 2, Palermo (Italy), 23–26 October 2023.

– Comunicazione orale a congresso

  1. Orlando S., 2025 – Unveiling Cassiopeia A: Insights from Theory and Observations, contributed oral presentation, Ringberg Workshop – Stellar Populations and their Explosions: Bridging the Gap, Ringberg Castle (Germany), 10–14 November 2025.
  2. Sapienza V., 2025 – Extreme anisotropies in deep layers of an exploding star: overabundance of Cr in the North Eastern jet of Cassiopeia A, oral presentation, 111° congresso Società Italiana di Fisica, Palermo (Italy), September 2025.
  3. Orlando S., 2025 – Modeling Astrophysical Phenomena Through High Performance Computing @ INAF – Palermo, oral presentation, Workshop “Quantum Artificial Intelligence”, Centro Ettore Majorana, Erice (Italy).
  4. Sapienza V., 2025 – Unveiling Shocked Ejecta in SN1987A with XRISM: Observation vs. Simulations, oral presentation, European Astronomical Society Annual Meeting, Cork (Ireland), June 2025.
  5. Sapienza V., 2025 – The effect of turbulences and shock velocity on the X-ray synchrotron emission in Kepler’s SNR, oral presentation, Exploring the Supernova Remnants in the lab Lorentz Center, Leiden (Netherland),  March 2025.
  6. Orlando S., 2024 – High-Performance Computing to Trace the Evolution from Massive Stars to Supernovae and Their Remnants, oral presentation, INAF General Assembly – USC VIII, Galzignano Terme (Italy), 14–18 October 2024.
  7. Sapienza V., 2024 – Probing Shocked Ejecta in SN 1987A: A novel diagnostic approach using XRISM-Resolve, oral presentation, CNOC XIII: Conferenza Nazionale Oggetti Compatti, Alghero (Italy), September 2024.
  8. Orlando S., 2024 – Modeling the Path from Massive Stars to Supernovae and to Supernova Remnants, oral presentation, PLUTO Symposium 2024, Turin (Italy), 23–25 September 2024.
  9. Orlando S., H.-T. Janka, A. Wongwathanarat, D. Milisavljevic, I. De Looze, D. Patnaude, M. Miceli, F. Bocchino, 2024 – Interpreting JWST Observations of Cassiopeia A through 3D MHD Modeling, oral presentation, Supernova Remnants: A Space Odyssey after Stellar Death III, Chania, Crete (Greece), 10–15 June 2024.
  10. Orlando S., Greco E., Hirai R., Matsuoka T., Miceli M., Nagataki S., Ono M., Chen K.-J., Milisavljevic D., Patnaude D., Bocchino F., 2024 – Probing the Life and Death of Massive Stars: Unveiling the CSM Structure and Progenitor Mass-Loss History of SN 2014C, oral presentation, A Broadband Excursus Through Stellar Afterlife, Arcetri, Florence (Italy), 5–7 June 2024.

– Seminari su invito presso istituzioni scientifiche nazionali e internazionali

  1. Orlando S., 2025 – Constraining the Evolutionary Pathways and Final Outcomes of Massive Stars via Supernova Remnants, invited seminar, University of Tübingen, Tübingen (Germany), 15 December 2025.
  2. Orlando S., 2025 – Decoding the Life and Death of Massive Stars Through Their Supernova Remnants, invited seminar, Joint Astrophysical Colloquium – MPA & ESO, Garching (Germany), 11 December 2025.
  3. Orlando S., 2024 – Supernova Remnants as Probes of the Life and Death of Massive Stars, invited seminar, Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica, Taipei (Taiwan), 24 April 2024.

Altri Prodotti della Ricerca

 

– Database online di modelli di evoluzione stellare ed esplosione di supernova

https://orfeo.oa-roma.inaf.it

 

Il database include modelli teorici di presupernova, configurazioni del materiale circumstellare (Circumstellar Material, CSM), modelli di stelle esplose e le corrispondenti rese chimiche (chemical yields) prodotte durante l’esplosione.

I modelli coprono stelle con massa iniziale compresa tra 9 e 120 masse solari (M☉), metallicità iniziale nell’intervallo 0 < Z < 2 Z☉ e velocità di rotazione iniziale tra 0 e 800 km/s.

Questa banca dati rappresenta uno strumento utile per lo studio dell’evoluzione delle stelle massicce, delle proprietà dei progenitori di supernova e dell’arricchimento chimico del mezzo interstellare, permettendo di confrontare modelli teorici con osservazioni di supernovae, resti di supernova e popolazioni stellari.

 

– Classificatore ML CSM vs. Ejecta

https://github.com/pepric/ml-supernovae-renmants

 

Repository contenente un framework di Machine Learning (ML) progettato per eseguire la classificazione pixel per pixel di immagini di Resti di Supernova (SNR). L’obiettivo scientifico primario è distinguere tra il Mezzo Circumstellare (CSM) — materiale espulso dalla stella progenitrice prima della sua morte — e gli Ejecta — il materiale ricco di metalli espulso durante l’esplosione della supernova.

Nello studio di resti di supernova come Cassiopeia A o SN 1987A, identificare quali regioni di un’osservazione appartengano agli ejecta rispetto al CSM circostante è fondamentale per:

  • Mappare l’arricchimento chimico del Mezzo Interstellare (ISM).
  • Comprendere la storia della perdita di massa della stella progenitrice.
  • Validare i modelli di esplosione guidata dai neutrini analizzando la distribuzione asimmetrie nella distribuzione degli ejecta.

      Principali Caratteristiche

  • Integrazione MHD: Progettato specificamente per gestire gli output di codici Magnetoidrodinamici (MHD) come PLUTO e FLASH da usare come training per future applicazioni ad osservazioni.
  • Selezione Automatica delle Caratteristiche (Feature Selection): Utilizza il Machine Learning per identificare strutture coerenti che sono spesso difficili da distinguere esclusivamente attraverso l’analisi spettroscopica manuale.
  • Supporto per Osservazioni Sintetiche: Può essere addestrato su mappe radio, infrarosse, o a raggi X sintetiche (ottenute da modelli MHD 3D) per prepararsi ai dati reali provenienti da telescopi come JWST, Chandra e XRISM.

Contributi a Media e Iniziative di Divulgazione Scientifica

 

Nell’ambito del progetto, la visualizzazione dei dati ha assunto un ruolo centrale attraverso la creazione di modelli interattivi sulla piattaforma Sketchfab e la realizzazione di filmati per il pubblico, fungendo da ponte tra la complessità delle simulazioni magnetoidrodinamiche (MHD) e l’analisi scientifica qualitativa e quantitativa. Questi modelli 3D riproducono fedelmente l’evoluzione morfologica e la distribuzione chimica dei resti di supernova, come Cassiopeia A e SN 1987A, permettendo di esplorare visivamente il legame tra le strutture asimmetriche degli ejecta (i cosiddetti “pistoni” di ferro e silicio) e la struttura del mezzo circumstellare modellato dai venti della stella progenitrice.

Grazie all’integrazione con tecnologie di Realtà Virtuale (3DMAP-VR), i modelli Sketchfab non solo facilitano l’identificazione di strutture filamentose complesse, ma rappresentano anche un potente strumento di disseminazione scientifica, rendendo accessibile alla comunità internazionale e al pubblico la dinamica tridimensionale che intercorre tra la “morte” della stella e la formazione del suo resto. In questo contesto, il progetto ha prodotto una serie di contenuti divulgativi e strumenti di outreach, tra cui animazioni per documentari scientifici internazionali, articoli divulgativi su riviste nazionali, webinar professionali per la comunità dell’educazione scientifica informale, partecipazioni come esperto scientifico in iniziative della NASA e press release dedicate a diffondere i risultati scientifici a un pubblico più ampio. Questi prodotti hanno consolidato il legame tra ricerca avanzata e comunicazione scientifica, aumentando l’impatto della ricerca sulle supernove sia all’interno della comunità accademica sia nella società.

 

– Attività di outreach scientifico

 

– Modelli scientifici pubblicati sulla piattaforma Sketchfab:

 

– Filmati e documentari per il pubblico:

 

– Press Release ed Interviste presso Media