Aceleración y propagación de rayos cósmicos en ambientes astrofísicos de alta metalicidad

Abstract

El origen de los rayos cósmicos ultra energéticos (1018 -1020 eV) es uno de los misterios más persistentes de la astrofísica contemporánea. Aunque la radiación del fondo cósmico de microondas permite confinar las posibles fuentes a una distancia de algunos cientos de Mpc, las deflexiones en las trayectorias de las partículas causadas por los campos magnéticos transforman la identificación directa de fuentes individuales en una tarea compleja. Desde el lado observacional, las búsquedas de anisotropías llevadas a cabo por la Colaboración Pierre Auger indican cierta correlación con galaxias con brotes de formación estelar y núcleos galácticos activos. En efecto, estos últimos representan la mayor fracción de emisores gamma a energías del GeV detectados por el satélite Fermi, revelando la existencia de partículas relativistas en tales fuentes astrofísicas. Radiación gamma a energías de TeV también ha sido observada en algunas galaxias activas, así como también una posible conexión entre un evento observado por IceCube y una fulguración gamma de un blazar. En el caso de las galaxias con brotes de formación estelar, el número de estos objetos descubiertos a energías del GeV se ha incrementado de cuatro a ocho en los últimos ocho años y se espera que siga en aumento con las próximas generaciones de telescopios. Estudios teóricos también han propuesto que las galaxias con brotes de formación estelar y los núcleos galácticos activos son fuentes de rayos cósmicos ultra energéticos. Ciertos procesos ocurriendo en ambas fuentes astrofísicas son capaces de liberar una gran cantidad de energía que, bajo circunstancias específicas, puede ser convertida en partículas relativistas. Asimismo, la alta metalicidad medida en estas fuentes indica que núcleos con masas intermedias como los observados por el Observatorio Pierre Auger pueden acelerarse allí. En este trabajo investigamos la producción de rayos cósmicos en tres escenarios diferentes: ondas de choques a gran escala generadas por los supervientos de las galaxias con brotes de formación estelar, choques de proa alrededor de inhomogeneidades presentes dentro de los mismos supervientos, y ondas de choque inducidas por las colisiones de nubes de la región de líneas anchas contra los discos de acreción en núcleos galácticos activos. Todos los análisis han sido llevados a cabo mediante simulationes semianalíticas, cuyos parámetros fiduciales fueron elegidos acorde a la información recopilada de bibliografía publicada. Estudios de fuentes específicas han sido realizados teniendo en cuenta rigurosamente las restricciones impuestas por la información electromagnética de los objetos en múltiples longitudes de onda. En todas las situaciones astrofísicas hemos evaluamos la factibilidad de acelerar partículas, calculado las distribuciones en energía de rayos cósmicos, determinado sus energías máximas, y construido las distribuciones espectrales de energía predichas para la radiación no térmica. Los resultados obtenidos en esta tesis evidencian la dificultad de generar partículas ultra energéticas en condiciones normales y contribuyen a delimitar las características de los aceleradores de rayos cósmicos de tales energías. Además, muestran la importancia de desentrañar las propiedades ambiguas de los objetos simultáneamente clasificados como galaxias con brotes de formación estelar y núcleos galácticos activos con el fin de clarificar el origen de los rayos cósmicos más energéticos. En términos generales, los modelos teóricos desarrollados en este trabajo pueden contribuir a la intrepretación de la información observacional recolectada por la siguiente generación de observatorios de diferentes longitudes de onda y astropartículas.