[pt] Conforme entramos na era de precisão da astronomia multimensageira, novas janelas se abrem para compreendermos melhor o Universo, desde a escala quântica até a escala cósmica. Em particular, o estudo de fenômenos astrofísicos de altas energias tem nos permitido acessar os ambientes mais extremos conhecidos pela humanidade, bem como obter avanços sem precedentes no domínio da física de partículas. Esta tese resume as descobertas importantes da astrofísica multi-mensageira ao longo dos anos, e, em seguida, foca a sua atenção em três tópicos relevantes que estão atualmente sendo investigados neste campo. Primeiramente, abordamos o problema da propagação de raios gama no espaço. Interações durante este processo levam à formação de cascatas eletromagnéticas que se desenvolvem ao longo de distâncias cosmológicas. Apresentaremos um código semi-analítico chamado “γ-Cascade”, que calcula os fluxos na Terra resultantes de tais cascatas. Também exploramos a possibilidade de se produzir neutrinos em cascatas ocorrendo a energias ultra-altas. Em segundo lugar, estabeleceremos uma relação multimensageira nova e original entre os fluxos medidos de neutrinos astrofísicos entre TeV–PeV e raios cósmicos ultra-energéticos. Para isso, utilizaremos nossas observações precisas de raios gama em energias abaixo de TeV, demonstrando o poder de uma análise multimensageira. Finalmente, estudaremos a evolução da composição de sabor de neutrinos produzidos em supernovas. Nosso novo método permite previsões genéricas sobre os possíveis sabores de neutrinos medidos na Terra. São levados em consideração os efeitos de matéria dentro dos ambientes densos de supernovas, enquanto permanecemos completamente agnósticos em relação ao resultado das conversões auto-induzidas de sabor em seus núcleos. / [en] As we enter the precision era of multi-messenger astronomy, new windows are opened for us to better understand the Universe, from quantum to cosmic scales. In particular, the study of high-energy astrophysical phenomena has allowed us to probe the most extreme environments known to mankind, as well as obtain unprecedented breakthroughs within the realm of particle physics. This thesis summarizes the important findings of multi-messenger astrophysics over the years, before focusing its attention to three relevant topics currently being investigated in the field. Firstly, we tackle the problem of γ-ray propagation in space. High center-of-momenta interactions during this process leads to the formation of electromagnetic cascades that develop over cosmological distances. We describe a semi-analytical code called “γ-Cascade, which calculates the fluxes at the Earth resulting from such cascades. We also explore the possibility of producing neutrinos in ultra-high-energy cascades. Secondly, we establish a new, original multi-messenger connection between the measured fluxes of TeV–PeV astrophysical neutrinos and ultra-high-energy cosmic rays. This is done by taking advantage of our precise γ-ray observations at sub-TeV energies, demonstrating the power of multi-messenger analyses. Finally, we study the evolution of the flavor composition of supernova neutrinos in a model-independent way. Our novel method allows for predictions of the neutrino flavor content measured at the Earth from supernovae, accounting for matter effects within its dense environment, while remaining completely agnostic about the outcome of self-induced flavor conversions in its core.

[pt] Em 2013, o IceCube Neutrino Observatory, localizado no Polo Sul, descobriu um fluxo de neutrinos astrofísicos com energias de PeV. Mais tarde, descobriu-se que este fluxo se estendia até pelo menos aproximadamente 10 TeV. Apesar de muitos esforços desde então, determinar as suas fontes permanece sendo um dos maiores desafios na comunidade de astrofísica. Nesta dissertação, investigamos possíveis fontes através de uma abordagem multimensageira bem motivada. Em qualquer mecanismo para a produção de neutrinos cósmicos, obrigatoriamente há produção simultânea de raios gama com energias comparáveis. Ao contrário de neutrinos, que atravessam o Universo ilesos, raios gama de altas energias sofrem interações com fótons de fundo em um processo de degradação de energia conhecido como cascata eletromagnética. Na Terra, eles contituem o fundo extragalático de raios gama difuso (EGB), medido com precisão pelo Fermi Gamma-ray Space Telescope entre GeV–TeV. Realizando uma análise conservativa, quantitativa e multimensageira, encontra-se uma tensão de maior ou aproximadamente 3delta (possivelmente chegando a aproximdamente 5 delta) entre os dados do IceCube e do EGB, apontando para a exitência de uma nova classe de aceleradores cósmicos de alta energia, como, por exemplo, fontes opacas para raios gama. / [en] In 2013, the IceCube Neutrino Observatory, located at the South Pole, discovered a flux of astrophysical neutrinos with PeV energies, later found to extend down to at least approximately 10 TeV. Despite many efforts since then, determining their sources remains one of the most daunting challenges in the astrophysics community. In this dissertation, we investigate possible sources via a well-motivated multimessenger approach. In any production mechanism of cosmic neutrinos, there must also be a simultaneous production of gamma-rays withcomparable energies. Unlike neutrinos, which travel unscathed throughout the Universe, high energy gamma-rays undergo interactions with background photons in an energy-degrading process known as electromagnetic cascade. At the Earth, they constitute the diffuse extragalactic gamma-ray background (EGB), precisely measured by the Fermi Gamma-ray Space Telescope in the GeV–TeV range. By performing a conservative, quantitative, multimessenger analysis, we find greater than a or approximately to 3 delta (possibly as large as approximately 5 delta) tension between IceCube and EGB data, pointing towards the existence of a new class of high energy cosmic accelerators, such as gamma-ray-opaque sources.