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 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.