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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.76.2021.tde-02092021-161134
Documento
Autor
Nome completo
Cainã de Oliveira
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2021
Orientador
Banca examinadora
Souza Filho, Luiz Vitor de (Presidente)
Albuquerque, Ivone Freire da Mota e
Mello Neto, João Ramos Torres de
Título em português
Fontes locais de raios cósmicos ultra energéticos
Palavras-chave em português
Astrofísica multimensageira
Centaurus A
Fontes locais
Resumo em português
A produção de partículas energéticas no Universo continua sendo um dos grandes mistérios da ciência atual. Os mecanismos de aceleração de partículas em fontes astrofísicas são ainda desconhecidos e resultados recentes apontam para a necessidade de uma abordagem multi- mensageira para resolver este problema. Nos últimos anos, medidas precisas da anisotropia e espectro de raios cósmicos carregados indicam a necessidade de fontes extragaláticas próximas, no entanto, a contrapartida neutra (neutrinos e raios gamas) que poderia apontar para a fonte, não tem sido medida. Estudos recentes indicam que os backflows de jatos emitidos por Núcleos Ativos de Galáxias são regiões especialmente favoráveis para aceleração de partículas, o que torna radiogaláxias possíveis fontes interessantes. Neste trabalho Centaurus A é explorada como fonte local de raios cósmicos de altas energias. Analisamos com detalhe a propagação dos UHECR emitidos, assumindo que apenas esta fonte seja suficiente para produzir o espectro medido pelo Observatório Pierre Auger. Supomos que a fonte produz um espectro tipo lei de potência com um corte exponencial e, tanto a normalização do fluxo, quanto a energia de corte são obtidas em função da luminosidade em rádio da fonte, restando três parâmetros livres (índice espectral e dois fatores intrínsecos da fonte) obtidos por ajuste dos dados do Observatório Pierre Auger. A propagação das partículas foi realizada usando o ambiente CRPropa3, com todos os processos de perdas de energias relevantes para interações com as radiação de fundo de micro-ondas e luz de fundo extragalática. Devido as incertezas quanto à composição injetada e aos campos magnéticos extragalácticos, utilizamos cinco modelos de composições e três de campos magnéticos extragalácticos estruturados que foram desenvolvidos recentemente. Estes quinze cenários astrofísicos nos permitiram analisar as direções de chegada de UHECR, neutrinos e fótons secundários, além de prever o fluxo destes secundários. Encontramos que as direções de chegada dos UHECR, e consequentemente dos secundários produzidos, são altamente dependentes do modelo de campo magnético extragaláctico utilizado. O fluxo de neutrinos e fótons secundários ainda não podem ser detectados devido a falta de sensibilidade dos observatórios. Mostramos que o fluxo de neutrinos secundários é suficientemente anisotrópico para ser detectado frente à um fluxo de neutrinos cosmogênicos isotrópico.
Título em inglês
Local sources of ultra high energy cosmic rays
Palavras-chave em inglês
Centaurus A
Local sources
Multi-messenger astrophysics
Resumo em inglês
The production of the most energetic particles in the Universe keeps one of the most greater mysteries of contemporary science. The mechanisms of particle acceleration in astrophysical sources are yet unknown, and recent results point to the need for a multi- messenger approach to solving this problem. In the last years, precise measurements of anisotropy and spectrum of charged cosmic rays indicate the need for local extragalactic sources, however, the neutral parcel (neutrinos and gamma rays) that could point to the source, have not been measured. Recent studies indicate that the backflows of jets emitted by Active Galactic Nuclei are regions especially favorable to the acceleration of particles, making radiogalaxies possible sources especially interesting. In this work, Centaurus A is explored as a local source of ultra high energy cosmic rays (UHECR). We analyze in detail the UHECR propagation, assuming that only this source is enough to produce the spectrum measured by the Pierre Auger Observatory. We suppose that the source produces a power-law spectrum with an exponential cutoff and, both the flux normalization and the cutoff energy are obtained by the radio luminosity of the source, remaining three free parameters (spectral index and two intrinsic to source factor) that are obtained by a fit of the Pierre Auger Observatory data. The particle´s propagation was realized in the CRPropa3 framework, with all the relevant energy loss processes with the cosmic background microwave and the extragalactic background light. Due to uncertainties in injected composition and extragalactic magnetic fields, we use five compositions and three structured extragalactic magnetic fields models, recently developed. These fifteen astrophysical scenarios allowed us to analyze the arrival directions of UHECR, secondaries neutrinos and photons, in addition to predict the secondaries flux. We find that the arrival direction of the UHECR, and consequently of the secondaries produced, are highly dependent on the extragalactic magnetic field model. The secondaries neutrino and photons flux are not capable of detection due to the low sensitivity of the observatories. We show that the flux of secondaries neutrinos are sufficiently anisotropic to be detected in front of a cosmogenic isotropic neutrinos flux.
 
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Data de Publicação
2021-09-09
 
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