Modeling the Propagation of High-Energy Cosmic Messengers

Abstract

Die extragalaktische Ausbreitung hochenergetischer Teilchen wird durch die Präsenz kosmischer Photonen und Magnetfelder gestört, welche alle physikalischen Beobachtungen beeinflussen. Darüber hinaus macht das begrenzte Wissen über die Magnetisierung des extragalaktischen Raums den Einsatz umfangreicher numerischer Simulationen zu einem grundlegenden Werkzeug zur Rekonstruktion ihrer Ausbreitung. In dieser Arbeit untersuchen wir die Ausbreitung der kosmischen Strahlung in gebundenen und magnetisierten Nachbildungen des lokalen Universums in einer Reihe von Szenarien. Anlass dafür ist die Beobachtung einer dipolaren Komponente in der Ankunftsrichtung der kosmischen Strahlung oberhalb von 8 EeV durch das Pierre Auger Observatorium. Wir berücksichtigen verschiedene Annahmen zur Verteilung und Dichte der kosmischen Strahlenquellen sowie zu den galaktischen und extragalaktischen Magnetfeldern. Wir stellen fest, dass das Anisotropiesignal oberhalb von 8 EeV hauptsächlich von den Eigenschaften der Quellenverteilung beeinflusst wird, während die Magnetisierung des extragalaktischen Raums lediglich zur Verringerung des ­Horizonts kosmischer Strahlung beiträgt. Darüber hinaus finden wir heraus, dass es möglich ist, das beobachtete Energiespektrum, die Massenzusammensetzung und die dipolare Komponente der kosmischen Strahlung zu reproduzieren. Die vorhergesagten höheren Multipolmomente, wie etwa die quadrupolare Komponente, sind jedoch im Vergleich zu den Beobachtungen im Allgmeinen zu groß. Die gleiche numerische Konfiguration, die für die extragalaktische Ausbreitung verwendet wird, kann auch angepasst werden, um die Ausbreitung hochenergetischer Teilchen in ihren Quellenumgebungen zu untersuchen. Zusätzlich kann die Produktion neutraler und stabiler Sekundärteilchen wie Neutrinos und Photonen berücksichtigt werden. Da Neutrinos nicht mit Photonenfeldern wechselwirken und nicht durch Magnetfelder abgelenkt werden, stellen sie ideale kosmische Sonden zur Untersuchung astrophysikalischer Quellen dar. Aus diesen Gründen untersuchen wir die Produktion hochenergetischer Neutrinos in den Umgebungen, die durch Verschmelzungen binärer Neutronensterne entstehen. Wir kombinieren verschiedene Modelkonfigurationen um die Produktion, das Entweichen aus der Quelle sowie die extragalaktische Ausbreitung hochenergetischer kosmischer Strahlen und Neutrinos zu untersuchen. Wir erhalten den propagierten Neutrinofluss, der durch diese Verschmelzungen erzeugt wird, und vergleichen ihn mit dem beobachteten diffusen Neutrinofluss. Zudem charakterisieren wir die Quellenumgebungen, indem wir das Verhältnis zwischen der Leuchtkraft kosmischer Strahlung während der Beschleunigung und der Fallback-Leuchtkraft, sowie die Ereignisdichterate einschränken. Schließlich betrachten wir auch die Ausbreitung von sehr hochenergetischen gamma-Strahlen, da auch diese mit Hintergrund-Photonenfeldern interagieren und eine elektromagnetische Kaskade von Sekundärteilchen erzeugen. Obwohl die Entwicklung dieser Kaskaden gut verstanden ist, bestehen weiterhin Diskrepanzen zwischen den theoretischen Vorhersagen und den experimentellen Beobachtungen des Photonflusses von fernen Blazaren. Insbesondere wird eine Unterdrückung im GeV-Photonenspektrum beobachtet. Als mögliche Erklärung betrachten wir die Auswirkung von Plasmainstabilitäten auf die Elektronen-Positronen-Paare der Kaskaden. Wir beziehen diesen Mechanismus in die Entwicklung der elektromagnetischen Kaskaden ein und rekonstruieren zum ersten Mal das propagierte Photonenspektrum, um die spektralen Parameter bei der Injektion für verschiedene Parametrisierungen der Plasmainstabilitäten zu erhalten. Wir stellen fest, dass das beobachtete Photonenspektrum reproduziert werden kann, wenn der Energieverlust aufgrund von Plasmainstabilitäten mit dem der inversen Compton-Streuung vergleichbar ist.

The extragalactic propagation of high-energy particles is influenced by the presence of cosmic photons and magnetic fields, which affect all their physical observables. Moreover, the limited knowledge of the magnetization of the extragalactic space makes the use of extensive numerical simulations a fundamental tool to reconstruct their propagation. In this thesis, motivated by the observation of a dipolar component in the arrival direction distribution of cosmic rays above 8 EeV by the Pierre Auger Observatory, we study their propagation in constrained and magnetized replicas of the local Universe for a wide range of scenarios. We consider several assumptions for the cosmic ray source distribution and density, as well as for the extragalactic and galactic magnetic fields. We find that the anisotropy signal above 8 EeV is mainly affected by the properties of the source distribution, while the magnetization of the extragalactic space only contributes to the reduction of the cosmic ray horizon. Furthermore, we find that, while it is possible to reproduce the observed cosmic ray energy spectrum, mass composition and dipolar component, the predicted higher multipoles, such as the quadrupole component, are generally too large with respect to the observations. The same numerical framework used for extragalactic propagation, can also be adapted to study the propagation of high-energy particles within their source environments. In addition, the production of neutral and stable secondary particles, such as neutrinos and photons, can be taken into account. Since neutrinos do not interact with photon fields and are not deflected by magnetic fields, they are ideal cosmic probes to study astrophysical sources. For these reasons, we study the production of high-energy neutrinos in the environment created by binary-neutron-star merges. We combine different simulation setups to study the production, the escape from the source and the extragalactic propagation of high-energy cosmic rays and neutrinos. We obtain the propagated neutrino flux produced by the mergers and we compare it with the observed diffuse neutrino flux. We also characterize the source environments by constraining the ratio between the cosmic ray luminosity at the acceleration and the fallback luminosity, and the event density rate. Finally, we also consider the propagation of very-high-energy gamma-rays since they also interact with background photon fields, producing an electromagnetic cascade of secondary particles. Although the development of these cascades is well understood, there are still discrepancies between the theoretical predictions and experimental observations of the photon flux from distant blazars. In particular, a suppression in the GeV photon spectrum is observed. As a possible explanation, we consider the effect of plasma instabilities on the electron-positron pairs of the cascades. We include this mechanism in the development of the electromagnetic cascades and, for the first time, we reconstruct the propagated photon spectrum, obtaining the spectral parameters at the injection for different parameterizations of the plasma instabilities. We find that, when the energy loss due to plasma instabilities is comparable to that of inverse Compton scattering, the observed photon spectrum can be reproduced.