Doutorado: Propagação de Raios Cósmicos em Aglomerados de Galáxias e a Produção de Raios Gama e Neutrinos

 

A origem dos raios cósmicos de ultra-alta energia (UHECRs), e da emissão difusa de neutrinos e de raios gama está entre os principais mistérios da astrofı́sica. O fundo difuso de raios gama (DGRB) corresponde àquele que permanece após subtraı́rem-se todas as fontes individuais do céu de raios gama observadas. O DGRB fornece uma perspectiva não térmica do universo que também é explorada através dos UHECRs extragalácticos e dos neutrinos, estes últimos observados pelo IceCube. A distribuição isotrópica prevista desses multi-mensageiros pelo satélite de raios gama Fermi-LAT e o observatório de neutrinos IceCube sugere que eles são predominantemente de origem extragaláctica. Os fluxos de energia observados desses três componentes são todos comparáveis sugerindo que eles podem ter uma origem comum. Vários tipos de fontes astrofı́sicas foram sugeridas como contribuintes para esses multi-mensageiros de alta energia. Eles possivelmente têm contribuicões de diferentes populações, como galáxias com formação de estrelas (SFGs), pulsares, núcleos galácticos ativos (AGNs), surtos de raios gama (GRBs), e de aglomerados de galáxias. Em particular, aglomerados de galáxias podem potencialmente produzir raios cósmicos (CRs) até energias muito altas por meio de choques de grande escala e aceleração turbulenta. Devido à sua configuração única de campo magnético e grande extensão, os CRs com energia ≤ 10^17 eV podem ficar presos dentro dessas estruturas em escalas de tempo cosmológicas e gerar partı́culas secundárias, incluindo neutrinos e raios gama, por meio de interações com o gás de fundo e os campos de radiação. Nesta Tese, combinamos simulações MHD cosmológicas tridimensionais (3D) de aglomerados de galáxias com a propagação de CRs usando simulações de Monte Carlo, considerando redshifts z ≲ 5, e computamos a contribuição dos aglomerados para o fundo difuso de neutrinos e raios gama. Usamos adistribuição de aglomerados dentro do volume cosmológico para extrair suas propriedades, incluindo massa, campo magnético, temperatura e densidade. Propagamos os CRs neste ambiente considerando todos os processos relevantes de interação fotohadrônica, fotonu-clear e hadronuclear. Verificamos que para CRs injetados com uma fração ~ (0, 5 − 3)% da luminosidade dos clusters, ı́ndices do espectro de lei de potência com ı́ndices α = 1, 5 − 2, 7 e energia de corte E_max = (10^16 −5×10^17) eV, os aglomerados contribuem para uma fração considerável do fluxo difuso de neutrinos observado pelo IceCube, mas a maior parte da contribuição vem de aglomerados com M ≳ 10^14 M_⊙ e redshift z ≲ 0.3. Esta contribuição é ainda maior quando incluı́mos a evolução cosmológica das fontes de CRs, isto é, AGNs e regiões de formação estelar. Da mesma forma, para o fluxo de raios gama difuso integrado, verificamos que os clusters podem contribuir com até 100% do fluxo de raios gama difuso acima de 100 GeV, observado pelo Fermi-LAT, para potência de injeção de CRs correspondente a ~ 1% da luminosidade dos clusters, ı́ndices espectrais α = 1, 5 − 2, 5 e energia de corte E max = (10^16 − 10^17 ) eV. O fluxo é dominado por clusters com massa 10^13 < M/M_⊙ < 10^15 na faixa de redshift z ≲ 0, 3. Nossos resultados também preveem a observação de raios gama de energias bem altas dos aglomerados por experimentos futuros, como CTA e LHAASO. Acreditamos que este trabalho tenha fornecido novos resultados importantes para a área da astrofı́sica de raios gama e multi-mensageiros. Em primeiro lugar, eles são um avanço computacional, pois compreendem os cálculos mais detalhados até hoje desse tipo de processo, empregando técnicas raramente usadas em conjunto (simulações 3D de propagação de partı́culas com simulaçẽs MHD cosmológicas). Em segundo lugar, nossos resultados fornecem uma estimativa de um fluxo de raios gama e de neutrinos de aglomerados de galáxias que devem ser levados em consideração ao se interpretar o fundo difuso dessas emissões. Isso tem implicações imediatas para todos os estudos que dependem de estimativas precisas desse fundo, desde modelos de fontes extragalácticas individuais de raios gama e neutrinos de alta energia até pesquisas de matéria escura. Além disso, nossos resultados estabelecem uma conexão clara entre os fluxos desses dois mensageiros, neutrinos e raios gama que, combinados, permitem-nos estudar indiretamente CRs em aglomerados, mesmo que não sejam diretamente observáveis.