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Thèse de Doctorat
DOI
https://doi.org/10.11606/T.14.2022.tde-03062022-092054
Document
Auteur
Nom complet
Saqib Hussain
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Paulo, 2022
Directeur
Jury
Pino, Elisabete Maria de Gouveia Dal (Président)
Batista, Rafael Alves
Almeida, Ulisses Barres de
Lima Neto, Gastao Cesar Bierrenbach
Lima, Reinaldo Santos de
Murase, Kohta
Titre en anglais
Cosmic Ray Propagation in Galaxy Clusters and the Production of Gamma Rays and Neutrinos
Mots-clés en anglais
clusters
cosmic-rays
field
galaxies
gamma-rays
magnetic
Resumé en anglais
The origin of ultra-high-energy cosmic-rays (UHECRs), diffuse neutrino, and gamma-ray background is among the major mysteries in astrophysics. The diffuse gamma-ray background (DGRB) corresponds to the one that remains after subtracting all individual sources from observed gamma-ray sky. The DGRB provides a non-thermal perspective of the universe that is also explored through the extragalactic UHECRs and neutrinos. The observed energy fluxes of these three components are all comparable suggesting that they may have a common origin.Several types of astrophysical sources have been predicted as the contributors to high-energy multi-messengers. They possibly have contributions from different source populations such as star-forming galaxies (SFGs), pulsars, active galactic nuclei (AGNs), gamma-ray bursts (GRBs), and from galaxy clusters. In particular, clusters of galaxies can potentially produce cosmic rays (CRs) up to very-high energies via large-scale shocks and turbulent acceleration. Due to their unique magnetic-field configuration and large size, CRs with energy < 1017 eV can be trapped within these structures over cosmological time scales, and generate secondary particles, including neutrinos and gamma rays, through interactions with the background gas and photon fields. In this Thesis, we combined three-dimensional (3D) cosmological MHD simulations of clusters of galaxies with the propagation of CRs using Monte Carlo simulations, considering redshifts z < 5, and computed the contribution of clusters to the diffuse background of neutrinos and gamma-rays. We used the distribution of clusters within this cosmological volume to extract their properties, including mass, magnetic field, temperature, and density. We propagated CRs in this environment considering all relevant photohadronic, photonuclear, and hadronuclear interaction processes. We have found that for CRs injected with a fraction ~ (0.5- 3)% of the clusters luminosity, spectral power law indices = 1.5 - 2.7 and cutoff energy Emax= (1016 - 1017.5) eV, the clusters contribute to a sizeable fraction of the diffuse flux of neutrinos observed by the IceCube, but most of the contribution comes from clusters with M > 1014 Msun and redshift z < 0.3. This contribution is even higher when we include the cosmological evolution of the CR sources, namely, AGNs and star-forming regions. Similarly, for the integrated diffuse gamma-ray flux, we have found that the clusters can contribute to up to 100% of the diffuse gamma-ray flux observed by the Fermi-LAT above 100 GeV, for CR injection power corresponding to ~ 1% of the clusters luminosity, spectral indices =1.5 - 2.5 and energy cutoff Emax = (1016 1017) eV. The flux is dominated by clusters with mass 1013< M/Msun < 1015 in the redshift range z < 0.3. Our results also predict the potential observation of high-energy gamma rays from clusters by experiments like HAWC, LHAASO and even the upcoming CTA.
Titre en portugais
Propagação de Raios Cósmicos em Aglomerados de Galáxias e a Produção de Raios Gama e Neutrinos
Mots-clés en portugais
Aglomerado
Campo
cósmicos
galáxias
gama
magnético
Neutrinos
Raios
Resumé en portugais
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 astrofsica. O fundo difuso de raios gama (DGRB) corresponde àquele que permanece após subtrarem-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 e neutrinos extragalácticos. Os fluxos de energia observados desses três componentes são todos comparáveis, sugerindo que eles podem ter uma origem comum. Vários tipos de fontes astrofsicas foram sugeridas como contribuintes para esses multi-mensageiros de alta energia. Eles possivelmente têm contribuições 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 < 1017 eV podem ficar presos dentro dessas estruturas em escalas de tempo cosmológicas e gerar partculas 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 raiosgama. Usamos a distribuição 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, fotonuclear e hadronuclear. Verificamos que para CRs injetados com uma fração ~ (0,5 3)% da luminosidade dos aglomerados, ndices do espectro de lei de potência com ndices = 1, 5 2, 7 e energia de corte Emax= (1016 1017,5) 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 > 1014 Msun e redshift z < 0.3. Esta contribuição é ainda maior quando inclumos 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, ndices espectrais = 1,5 2,5 e energia de corte Emax= (1016 1017) eV. O fluxo é dominado por clusters com massa 1013< M/Msun < 1015 na faixa de redshift z < 0,3. Nossos resultados também preveem a observação potencial de raios gama de alta energia (> 1012 eV) de aglomerados por experimentos como HAWC, LHAASO e até mesmo o próximo CTA.
 
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Date de Publication
2022-06-14
 
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