Producción y propagación de radiación γ en galaxias con formación estelar activa
Authors:   , Kornecki Paula 
Published: May 2022

Más de una docena de galaxias con formación estelar activa han sido detectadas en la banda de rayos gamma a energías del GeV por el observatorio Fermi y dos de estas en el rango del TeV por los instrumentos VERITAS y H.E.S.S. Estas galaxias emiten además radiación de carácter no térmica en la banda de radio. Las observaciones muestran que sus luminosidades tanto en radioondas como en rayos gamma escalan con sus tasas de formación estelar. Lo anterior respalda la hipótesis de que esta radiación es emitida por rayos cósmicos producidos por sus poblaciones estelares. Una propiedad notable de estas galaxias es la relación cuasi-lineal entre las luminosidades gamma y las tasas de formación estelar. El apartamiento de la linealidad de esta relación aún no se ha explicado completamente y la naturaleza de los principales procesos de transporte de rayos cósmicos que dan origen a la emisión no térmica en estas galaxias aún es poco conocida. El objetivo de esta tesis es investigar los principales mecanismos del transporte y enfriamiento de los rayos cósmicos en estas galaxias junto a la forma en que estos contribuyen en el delineado de las relaciones entre las luminosidades y la tasa de formación estelar. Para llevar a cabo este estudio recopilamos de la literatura un conjunto casi homogéneo de distancias, y observaciones de flujos ultravioleta, óptico, infrarrojo, radio a 150 MHz y 1,4 GHz y de rayos gamma para todas las galaxias detectadas por Fermi hasta el momento. A partir de estos datos, determinamos distintas correlaciones entre las luminosidades y la tasa de formación estelar y describimos sus tendencias. Por otro lado desarrollamos un modelo teórico que calcula las poblaciones de rayos cósmicos en estos escenarios, teniendo en cuenta su producción, transporte y enfriamiento. El modelo está parametrizado sólo a través de las propiedades globales de las galaxias y describe la emisión no térmica desde radio hasta rayos gamma, teniendo en cuenta también la componente térmica producida por el gas ionizado y la absorción asociada. Comparamos las predicciones de nuestro modelo con las observaciones y también nos centramos en la posibilidad de probar el confinamiento de protones en las bandas de rayos X, MeV y TeV. Encontramos que la relación observada entre la luminosidad de rayos gamma y la tasa de formación estelar obtenida de las luminosidades infrarrojas está sesgada hacia pendientes más suaves. Nuestros resultados refuerzan la idea de que las galaxias con alta tasa de formación estelar son calorímetros de rayos cósmicos, y que la región de enfriamiento es del tamaño de un kiloparsec. Además encontramos que el principal mecanismo que genera el escape de protones es la difusión, mientras que el escape de electrones también se produce a través de la advección de vientos impulsados por procesos térmicos o por los mismos rayos cósmicos a altas y bajas tasas de formación estelar respectivamente. Nuestros resultados apoyan globalmente que la turbulencia magnetohidrodinámica es responsable de la dependencia del campo magnético en la tasa de formación estelar y que la fracción de ionización no es constante en todo el rango estudiado de tasas de formación estelar. Concluimos que una visión pancromática de estas correlaciones es clave para imponer fuertes restricciones a los procesos físicos que gobiernan la física no térmica de estas fuentes.