Tese (astronomia)

Tese (astronomia)

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Anisotropia de Raios Cosmicos de Altıssimas Energias no Observatorio Pierre Auger

Beatriz Blanco Siffert Orientador: Joao Ramos Torres de Mello Neto

Beatriz Blanco Siffert

Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pos-graduacao em Fısica, Instituto de Fısica, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessarios a obtencao do tıtulo de Doutor em Ciencias (Fısica).

Orientador: Joao Ramos Torres de Mello Neto

Rio de Janeiro Marco de 2008

Siffert, Beatriz Blanco

S573 Anisotropia de Raios Cosmicos de Altıssimas Energias no Observatorio Pierre Auger / Beatriz Blanco Siffert. Rio de Janeiro: UFRJ/IF,

242f.: il.; 29,7 cm. Orientador: Joao Ramos Torres de Mello Neto Tese (doutorado) - UFRJ/ Instituto de Fısica/ Programa de Posgraduacao em Fısica, 2008.

Referencias Bibliograficas: f. 230-242. 1. Raios Cosmicos. 2. Observatorio Pierre Auger. 3. Isotropia. 4. Nucleos de Galaxias Ativos. I. Torres de Mello Neto, Joao Ramos.

I. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de Fısica, Programa de Pos-graduacao em Fısica. I. Anisotropia de Raios Cosmicos de Altıssimas Energias no Observatorio Pierre Auger.

Resumo

Anisotropia de Raios Cosmicos de Altıssimas Energias no Observatorio Pierre Auger

Beatriz Blanco Siffert Orientador: Joao Ramos Torres de Mello Neto

Resumo da Tese de Doutorado submetida ao Programa de Pos-graduacao em Fısica, Instituto de Fısica, da Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ, como parte dos requisitos necessarios a obtencao do tıtulo de Doutor em Ciencias (Fısica).

O observatorio Pierre Auger, em fase final de construcao proximo a cidade de Malargue, Argentina, ja detectou mais raios cosmicos de altıssimas energias que qualquer outro experimento precedente. Alem disso, as medidas feitas pelo observatorio Auger sao muito acuradas, ja que ele utiliza duas tecnicas de deteccao complementares.

Em maio de 2007, a colaboracao Auger estabeleceu a existencia de uma correlacao entre as direcoes de chegada dos eventos mais energeticos (E > 5,7 × 1019 eV) e posicoes de nucleos de galaxias ativos catalogados. Foi verificado que essa correlacao e muito mais forte do que se esperaria de uma distribuicao de eventos isotropicos.

A determinacao das fontes individuais de cada raio cosmico nao e ainda possıvel, pois, as trajetorias percorridas por eles sofrem deflexoes devido a interacao com os campos magneticos galactico e extra-galactico e, atualmente, o catalogo que contem o maior numero de nucleos de galaxias ativos e ainda incompleto em varias regioes do ceu. Dessa forma, a correlacao encontrada evidencia a anisotropia das direcoes de chegada dos raios cosmicos mais energeticos, mas nao e suficiente para garantir que nucleos de galaxias ativos sao as suas fontes.

Os objetivos do meu trabalho sao a confirmacao do resultado de anisotropia e o estudo das possıveis fontes dos raios cosmicos de mais altas energias. Utilizei metodos estatısticos para confirmar a anisotropia encontrada, sem a necessidade da utilizacao de nenhum catalogo. Analisei diversos catalogos de objetos considerados aceleradores de raios cosmicos em potencial e resultados de simulacoes da distribuicao da materia do universo em larga escala, a procura de correlacoes com os eventos do observatorio Auger tao ou mais fortes que aquela encontrada com o catalogo de nucleos de galaxias ativos.

Palavras-chave: raios cosmicos, observatorio Pierre Auger, isotropia, nucleos de galaxias ativos.

Rio de Janeiro Marco de 2008

Abstract

Ultra-High Energy Cosmic Rays Anisotropy with the Pierre Auger Observatory

Beatriz Blanco Siffert Orientador: Joao Ramos Torres de Mello Neto

Abstract da Tese de Doutorado submetida ao Programa de Pos-graduacao em Fısica, Instituto de Fısica, da Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ, como parte dos requisitos necessarios a obtencao do tıtulo de Doutor em Ciencias (Fısica).

The Pierre Auger observatory, under construction next to the city of Malargue,

Argentina, has already detected more ultra-high energy cosmic rays than any other preceding experiment. The measurements performed by the Auger observatory are very accurate, since it counts with two complementary detection techniques.

In May, 2007, the Auger collaboration established the existence of a correlation between the arrival directions of the most energetic events (E > 5.7 × 1019 eV) and the positions of catalogued active galactic nuclei. It was shown that this correlation is much stronger than what is expected from an isotropic set of events.

The determination of the sources of each individual cosmic ray is still not possible, since its trajectory suffers deflections due to the interaction with the galactic and extragalactic magnetic fields and, currently the vastest catalogue of active galactic nuclei is still very incomplete in several regions of the sky. Therefore, the correlation found establishes the anisotropy in the arrival directions of the most energetic cosmic rays, but it does not guarantee that active galactic nuclei are their sources.

The goals of my work are to confirm the anisotropy result and to study the possible sources of the highest energy cosmic rays. I applied statistical tests independent of any astronomical catalogue to confirm the anisotropy found. I analysed several catalogues of astrophysical objects, considered as potential accelerators of cosmic rays, and the distribution of matter in large scale, as resulted of constrained simulations, in search for correlations with the events detected by the Auger observatory as strong or stronger than the one found with the active galactic nuclei.

Key-words: cosmic rays, Pierre Auger observatory, isotropy, active galactic nuclei.

Rio de Janeiro Marco de 2008

Agradecimentos

Em primeiro lugar, gostaria de agradecer ao meu orientador, Prof. Joao Torres de Mello Neto, nao so pela orientacao, mas tambem pela compreensao, paciencia e amizade.

Agradeco a Profa. Angela Olinto, por ter me recebido na Universidade de Chicago e me orientado e apoiado durante os seis meses em que trabalhei nessa instituicao.

Agradeco a todos os membros da banca: Profa. Angela Olinto, Prof. Carlos

Escobar, Prof. Eduardo Fraga, Prof. Fernando Marroquim, Prof. Ronald Shellard e Prof. Takeshi Kodama, pela leitura, comentarios e crıticas que enriqueceram a versao final da tese.

Agradeco ao CNPq pela bolsa de doutorado e a Capes pela bolsa de estagio de doutorado no exterior.

Gostaria de agradecer tambem a todos aqueles com os quais trabalhei durante esses quatro anos: Prof. Maurıcio Calvao, todos os membros da colaboracao Auger da Universidade de Chicago e da Universidade de Milao, pela magnıfica hospitalidade e colaboracao, em especial a Vasiliki Pavlidou, e aos membros da colaboracao Auger Antoine Letessier-Selvon, Paul Sommers e Diego Harari.

Por fim, afirmo que nao estaria aqui se nao fosse pelos colegas, professores, amigos e familiares que estiveram ao meu lado durante essa longa jornada. Muito obrigada.

Para os meus pais. Para os meus pais.

Conteudo

Introducao 31

1.1 O Espectro de Energia36
1.2 O Efeito GZK41
1.3 A Composicao do Espectro46
1.4 Propagacao52
1.5 Mecanismos de Aceleracao5
1.5.1 Modelos Top-Down5
1.5.2 Modelos Bottom-Up57
1.6 Candidatos a Aceleradores58
1.7 Deteccao de Raios Cosmicos62
1.7.1 Cintiladores63
1.7.2 Detectores de Radiacao Cherenkov6
1.7.3 Detectores de Fluorescencia6
1.8 Anisotropia de Raios Cosmicos68
1.8.1 Excesso na Direcao do Centro Galactico69
1.8.2 Estruturas em Pequena Escala73
2.1 Detectores de Superfıcie82
2.1.1 Descricao82
2.1.2 Calibracao e Monitoramento85
2.1.3 Selecao de Eventos86
2.1.4 Reconstrucao dos Parametros do Chuveiro8
2.2 Detectores de Fluorescencia91
2.2.1 Descricao91
2.2.2 Calibracao e Monitoramento92
2.2.3 Selecao de Eventos95
2.2.4 Reconstrucao dos Parametros do Chuveiro97
2.3 Reconstrucao Hıbrida100
2.4 Resolucao Angular102
2.5 Exposicao Relativa para UHECRs104

2 O Observatorio Pierre Auger 81

3 Correlacao entre as Direcoes de Chegada de UHECRs e Posicoes de

3.1 Nucleos de Galaxias Ativos108
3.2 Analise Exploratoria113
e Veron114
3.2.2 Metodo e Resultado117
3.3 Confirmacao do Resultado124
3.4 Analise de Todos os Eventos128
3.5 Discussao132

Nucleos de Galaxias Ativos 107 3.2.1 12a Edicao do Catalogo de Quasares e AGN, por Veron-Cetty

4 Testes Estatısticos de Anisotropia 135 4.1 Funcao de Correlacao Angular entre Dois Pontos . . . . . . . . . . . . 136

4.3 Teste de Rayleigh145
4.4 Teste de Rayleigh Modificado147
4.5 Conclusao150
AGN sejam as Fontes153
5.1.1 Distribuicao Espacial154
5.1.2 Distribuicao do Desvio para o Vermelho159
5.1.3 Distribuicao das Magnitudes Aparente e Absoluta160
5.1.4 Discussao163
5.2 Catalogo de AGN BAT-Swift164
5.3 Conclusao168

5 Analise da Correlacao com Nucleos de Galaxias Ativos 152 5.1 Compatibilidade entre a Distribuicao dos Eventos e a Hipotese de que

6 Correlacao com Outras Estruturas no Universo: Analise de Possıveis

6.1 Estrutura do Universo em Larga Escala171
6.1.1 Metodo I173
6.1.2 Metodo I175
6.1.3 Comparacao entre os Dois Resultados178
6.2 Catalogos de Objetos Astrofısicos181
6.2.1 Aglomerados de Galaxias181
6.2.2 Galaxias Starburst184
6.2.3 Catalogo de Galaxias IRAS PSCz187
6.3 Discussao193

Fontes de UHECRs 170 Conclusao 195

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