Investigating Compact Symmetric Objects as sources of Ultra-High- Energy Cosmic Rays and High-Energy Neutrinos

Abstract

I denne avhandlingen har vi undersøkt potensialet til hotspots i endene av kompakte symmetriske objekter (CSO) som kilder til ultrahøyenergetisk kosmisk stråling (UHECR) og høyenergetiske nøytrinoer. Hovedfunnet i denne avhandlingen er at hotspots er et svært egnet sted for produksjon av UHECR, men ikke nøytrinoer. Kompakte symmetriske objekter fikk en renessanse og ble omklassifisert i 2023, noe som, som vi vil vise, har økt deres potensial som viktige kilder til høyenergipartikler. Den estimerte magnetfeltstyrken til 10 bona fide CSO-hotspots ved hjelp av to metoder viste at magnetfeltstyrken er rundt 0,01 - 1 G. I tillegg viste den målte radiusen til det emitterende området ved hjelp av to metoder at estimater basert på full bredde-halv-maksimum av radiobilder ga de beste og mest konservative estimatene av hotspots, med verdier fra 1-10 pc. Jetkraften til 9 ekte CSO-er ble også estimert ved hjelp av to metoder basert på radiofluks og røntgenfluks, som viste et lite avvik. Metoden basert på radiofluks ga den høyeste jeteffekten, med den høyeste effekten i størrelsesorden 10^45 erg/s. Den høyeste røntgenstrålekraften var i størrelsesorden 10^44 erg/s, men resultatene våre stemmer overens på grunn av feilmarginer som strekker seg over nesten to størrelsesordener.De karakteristiske tidsskalaene for en konservativ CSO-hotspot ble estimert. Det viser at protoner kan nå energier på <10^20 eV, og den begrensende faktoren er størrelsen på systemet. Her observerte vi at de resulterende fotopionreaksjonstidsskalaene var for lange til å muliggjøre effektiv produksjon av nøytrinoer, og vi konkluderte med at nøytrinoproduksjon i hotspottene er usannsynlig. På grunn av observasjonen av at CSO 2.1-underklassen har kort levetid, introduserte vi masselading som en mulig bremsemekanisme for jetstrålen og brukte masselading som en mulig kilde til ioner for hotspoten. Resultatet viste at hvis all masselading ble konvertert til kosmisk stråling, ville den kosmiske strålingens luminositet overstige CSO-enes strålekraft, noe som ville være urimelig. Ved å introdusere kalde protoner, der en liten andel blir akselerert, kan man imidlertid redusere CR-luminositeten til et rimelig nivå, selv om dette vil øke energitettheten til ionene utover energitettheten til magnetfeltet. Vi konkluderte med at de ubegrensede variablene i masseladningsmodellen gjorde det vanskelig å trekke noen faste konklusjoner, men modellen viste potensial for å bruke hotspots som UHECR-kilder og masseladning som en måte å introdusere protoner til emisjonsområdet på. Vi antok at masseladningen var basert på solens sammensetning. Den viste at luminositeten til tyngre partikler var lavere enn for protoner, men at partikler med høyere masse, gitt de rette forholdene, kunne frakte en betydelig del av energien ut av hotspot-regionen.

In this thesis, we have investigated the potential of hotspots at the ends of compact symmetric objects (CSOs) as sources of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) and high-energy neutrinos. The main finding of this thesis is that the hotspots are a very suitable location for the production of UHECRs but not neutrinos. Compact symmetric objects saw a revival and a reclassification in 2023, which, as we will show, has increased their potential as significant sources of high-energy particles. The estimated magnetic field strength of 10 bona fide CSO hotspots using two methods found that the magnetic field strength is around 0.01 - 1 G. Additionally, the measured radius of the emitting region done via two methods determined that estimates based on the full-width-half-maximum of radio images gave the best and most conservative estimates of the hotspots, with values ranging from 1-10 pc. The jet power of 9 bona fide CSOs was also estimated using two methods based on radio flux and X-ray flux, which showed a little discrepancy. The method based on the radio flux gave the highest jet power, with the highest power being the order of 10^45 erg/s. The highest X-ray inferred jet power was the order of 10^44 erg/s, but our results agree due to error bars spanning almost two orders of magnitude. The characteristic timescales of a conservative CSO hotspot were estimated, allowing it to reach proton energies of <10^20 eV, with the limiting factor being the size of the system. Here, we observed that the resulting photopion reaction timescales were too long to allow for the efficient production of neutrinos, and we concluded that neutrino production in the hotspots is unlikely. Due to the observation that the CSO 2.1 subclass has a short lifetime, we introduced mass loading as a possible deceleration mechanism of the jet and used mass loading as a possible source of ions for the hotspot. The result found that if all mass loading were converted to cosmic rays, the cosmic ray luminosity would exceed the jet power of the CSOs, making it unreasonable. However, introducing cold ions with a small fraction being accelerated could reduce the CR luminosity to a reasonable level, though this would increase the energy density of ions beyond that of the magnetic field energy density. We concluded that the unconstrained variables in the mass loading model made it difficult to draw any firm conclusions, but the model showed potential in using hotspots as UHECR sources and using mass loading as a way of introducing protons to the emission region. We assumed the mass loading was based on solar composition. It showed that the luminosity of heavier particles was lower than that of protons but that, given the right conditions, higher mass particles could carry a significant fraction of energy out of the hotspot region.