كيف أصبح OP 313 أبعد بلازار يُكتشف بأشعة غاما عالية الطاقة؟

رقم قياسي كوني مع توضيح مهم

يُعدّ OP 313 كوازارًا راديويًا ذا طيف مسطّح (FSRQ)، وهو نوع من البلازارات تُوجَّه فيه النفاثة النسبية المنبعثة من جوار الثقب الأسود فائق الكتلة تقريبًا نحو الأرض. ويقع الجسم عند انزياح أحمر قدره z = 0.997، أي على مسافة تقارب 8 مليارات سنة ضوئية.

أصبح OP 313 أبعد بلازار—وأبعد نواة مجرية نشطة—رُصدت لها أشعة غاما عالية الطاقة جدًا، أو VHE، بطاقة تتجاوز 100 غيغا إلكترون فولت. 124

لكن هذا ليس معناه أنه أبعد مصدر VHE من أي نوع؛ فاندفاع أشعة غاما GRB 201216C يقع على مسافة أكبر. الرقم القياسي الذي حققه OP 313 يتعلق بالبلازارات والنوى المجرية النشطة تحديدًا. 238

شرارة الاكتشاف في ديسمبر 2023

بدأت الحملة الرصدية بعدما التقط تلسكوب Fermi-LAT الفضائي ارتفاعًا في نشاط OP 313. وشرع تلسكوب LST-1 في مراقبة المصدر تقريبًا يومي 9 و10 ديسمبر 2023، قبل أن تنضم مراصد أخرى إلى حملة منسقة متعددة الأطوال الموجية. 12

وخلال توهج استثنائي السطوع، بلغت شدة تدفق أشعة غاما VHE نحو 0.3 وحدة كراب فوق 100 غيغا إلكترون فولت. وسجّل LST-1 أول كشف لهذه الإشعاعات من OP 313، ثم أكد تلسكوبا MAGIC النتيجة بشكل مستقل. وجمعت الدراسة بين بيانات LST-1 وMAGIC وقياسات أقل طاقة من مرافق أخرى، من بينها Fermi-LAT. 156

انخفض النشاط في يناير 2024. وأظهر التوهج ترابطًا عبر جزء كبير من الطيف الكهرومغناطيسي المرصود، بينما بقيت الانبعاثات الراديوية مستقرة نسبيًا. 1

لماذا كان رصد هذه الأشعة صعبًا؟

لا تعبر أشعة غاما التي تتجاوز طاقتها 100 غيغا إلكترون فولت المسافات الكونية بسهولة. فخلال رحلتها، تصطدم بفوتونات الضوء الخلفي خارج المجرات (EBL)، وهو الضوء البصري وتحت الأحمر المنتشر الذي راكمته النجوم والمجرات عبر تاريخ الكون. 147

وعندما يتفاعل فوتون غاما عالي الطاقة بما يكفي مع فوتون من هذا الضوء، يمكن أن يتكوّن زوج من الإلكترون والبوزيترون:

[
\gamma + \gamma \rightarrow e^+ + e^-
]

يؤدي هذا التفاعل إلى إزالة فوتون غاما الأصلي من الحزمة المتجهة إلى الأرض. لذلك فإن وصول فوتونات تتجاوز 100 غيغا إلكترون فولت من جسم عند انزياح أحمر يقارب 1، بعد رحلة امتدت نحو 8 مليارات سنة ضوئية، يُعد إنجازًا رصديًا نادرًا. 124

كيف ولّد OP 313 أشعة غاما؟

تشير نمذجة الطيف الكامل إلى أن السيناريو اللبتوني هو الأرجح. ووفق هذا التصور، تتحرك إلكترونات بسرعات نسبية داخل نفاثة البلازار، فتبعثر فوتونات منخفضة الطاقة عبر تشتت كومبتون العكسي، محوّلةً إياها إلى فوتونات غاما عالية الطاقة. 1

وتتوافق الفوتونات الأولية المستخدمة في هذه العملية مع مجالات إشعاعية تقع في منطقة الخطوط الطيفية العريضة، وكذلك مع طوق غباري يحيط بالثقب الأسود فائق الكتلة الذي يغذي النواة المجرية النشطة. وتبحث الدراسة نموذجًا مؤلفًا من منطقتين، إلى جانب بديل مؤلف من منطقة واحدة يحدث فيها التشتت على مسافة أبعد داخل مجال الطوق الغباري. 1

أما الضوء الخلفي خارج المجرات فلم يُنتج أشعة غاما داخل المصدر؛ بل أثّر فيها لاحقًا، بعدما غادرت النفاثة وبدأت رحلتها عبر الفضاء بين المجرات.

ماذا تكشف الإشارة عن الضوء الكوني المنتشر؟

لو كان الضوء الخلفي خارج المجرات كثيفًا بصورة مفرطة، لامتصّ عددًا أكبر من فوتونات غاما التي رصدها العلماء. ولذلك سمح بقاء جزء من انبعاث OP 313 بوضع حد أعلى لشدة هذا الضوء قرب طول موجي يبلغ 0.6 ميكرومتر:

• λIλ < 8.74 نانوواط لكل متر مربع لكل ستراديان وفق تحليل بيانات LST-1؛
• λIλ < 14.7 نانوواط لكل متر مربع لكل ستراديان وفق بيانات MAGIC، مع احتساب أوجه عدم اليقين المنهجية. 1

هذه الأرقام ليست قياسًا مباشرًا ودقيقًا للكثافة الفعلية للضوء الخلفي خارج المجرات، بل هي حدود عليا تحدد مقدار الضوء البصري وتحت الأحمر القريب المنتشر الذي يمكن أن يملأ الكون على امتداد مسار الفوتونات من دون أن يحجب الإشعاع المرصود. 14

اختبار مهم لقدرات LST-1

كان هذا الاكتشاف أول نتيجة علمية كبرى لتلسكوب LST-1، وهو النموذج الأولي للتلسكوبات كبيرة الحجم التابعة لمرصد مصفوفة تلسكوبات تشيرينكوف (CTAO)، وذلك بينما كان التلسكوب لا يزال في مرحلة التشغيل التجريبي.

وقد كان انخفاض عتبة الطاقة والمساحة الفعالة الكبيرة عاملين حاسمين في التقاط مصدر بعيد أضعفته تفاعلاته مع الضوء الخلفي خارج المجرات. 46

يبلغ قطر LST-1 23 مترًا، ويقع في موقع CTAO بجزيرة لا بالما الإسبانية، وصُمم لتغطية نطاق يقارب 20 غيغا إلكترون فولت إلى 3 تيرا إلكترون فولت. 4 ويقدم رصد OP 313 أثناء مرحلة التشغيل التجريبي دليلًا عمليًا على قدرته على اكتشاف المصادر العابرة والبعيدة، خصوصًا عند الطرف منخفض الطاقة من نطاق VHE.

ومن المتوقع أن تعزز المصفوفة الشمالية المخطط لها، والمؤلفة من أربعة تلسكوبات LST في لا بالما، الحساسيةَ ودراسةَ الأطياف وسرعةَ متابعة التوهجات العابرة. غير أن البيانات المتاحة لا تحدد مقدار التحسن رقميًا بالنسبة إلى توهجات مشابهة لتوهج OP 313. 417