Raios cósmicos, raios gama e neutrinos são mensageiros de fenômenos astrofísicos extremos, abrangendo diversas ordens de grandeza em energia e distância. A interpretação desses sinais depende de um conjunto de processos microfísicos que governam as interações dessas partículas tanto nas fontes astrofísicas quanto durante sua propagação até a Terra. Esta tese investiga alguns desses processos microfísicos, cobrindo energias desde GeV até ZeV e distâncias desde escalas galácticas até o Universo em alto redshift, com foco em aspectos específicos que resultam em efeitos macrofísicos observáveis e assinaturas relevantes para observações e simulações multi-mensageiras atuais e futuras. No regime de energia ultra-alta, tanto na propagação cosmológica quanto nos ambientes das fontes, dois tópicos principais são abordados. Primeiramente, um processo frequentemente negligenciado — a produção de pares com captura — é investigado no contexto dos raios cósmicos de energia ultra-alta, utilizando um método de estimativa semianalítico. Os resultados indicam que, embora esse processo não altere significativamente o estado de ionização dos núcleos durante sua propagação em distâncias cosmológicas, núcleos pesados e ultra-pesados podem não estar totalmente despojados em locais de aceleração, desafiando a suposição comum sobre o estado de ionização desses núcleos nas fontes astrofísicas. Em seguida, examinamos um fenômeno crucial no contexto multimensageiro: o desenvolvimento de cascatas eletromagnéticas nessas energias. Demonstramos que cascatas nesse regime podem servir como fontes de neutrinos de altas e ultra-altas energias, tanto dentro quanto fora das fontes astrofísicas. Para apoiar este estudo, introduzimos o MUNHECA, um framework em Python 3 para simular cascatas eletromagnéticas de energia ultra-alta e calcular os espectros de neutrinos resultantes. Em energias mais baixas e em escalas galácticas, os processos de perda de energia dos prótons dos raios cósmicos são reexaminados cuidadosamente. Este estudo é particularmente relevante à luz dos avanços observacionais recentes (por exemplo, AMS-02), pois as incertezas experimentais neste regime agora superaram a precisão de nossos modelos teóricos. Utilizando uma abordagem analítica, nossa pesquisa revela que certos mecanismos de perda de energia dos prótons, anteriormente considerados negligenciáveis, como o espalhamento elástico próton-próton, não podem mais ser ignorados em modelos precisos de propagação de raios cósmicos. Na parte final desta tese, voltamo-nos para um estudo distinto, mas ainda relacionado, que também se beneficia da abordagem multi-mensageira: as perspectivas observacionais de buracos negros primordiais por meio de telescópios de raios gama e neutrinos. Discutimos em detalhes as vantagens únicas dos telescópios de neutrinos nesse contexto. Por meio de uma reavaliação numérica e precisa dos espectros de raios gama e neutrinos provenientes da evaporação de buracos negros primordiais, quantificamos os perfis de energia e tempo correlacionados de ambos os mensageiros. Essas correlações são então utilizadas para aprimorar a identificação de buracos negros primordiais em caso de detecção futura.