Et blazar 8 milliarder lysår væk sætter ny rekord i gammastråler

Hvad er OP 313?

OP 313 er en såkaldt flat-spectrum radio quasar – en type blazar, hvor en relativistisk jetstråle fra et aktivt galaktisk centrum peger næsten direkte mod Jorden. Med en rødforskydning på z = 0,997 ligger objektet cirka 8 milliarder lysår væk.

Da forskere registrerede meget energirige gammastråler (VHE, over 100 GeV) fra OP 313, blev det det fjerneste blazar – og det fjerneste aktive galaktiske centrum – der nogensinde er observeret i dette energiområde. 124

Der er dog en vigtig præcisering: OP 313 er rekordholder blandt blazarer og aktive galaktiske centre i VHE-gammastråler. Det er ikke den fjerneste VHE-kilde af enhver type. Gammastråleudbruddet GRB 201216C ligger længere væk. 238

Et usædvanligt udbrud i december 2023

Observationerne begyndte, efter at rumteleskopet Fermi-LAT registrerede øget aktivitet fra OP 313. LST-1 rettede omkring 9.-10. december 2023 sit blik mod kilden, og flere observatorier fulgte efter med målinger ved forskellige bølgelængder. 12

Under det ekstraordinært kraftige udbrud nåede fluxen af VHE-stråling omkring 0,3 Crab Units over 100 GeV. LST-1 registrerede for første gang VHE-udsendelse fra OP 313, mens de to MAGIC-teleskoper efterfølgende bekræftede fundet uafhængigt. Forskerne kombinerede data fra LST-1 og MAGIC med observationer ved lavere energier fra andre instrumenter, blandt andet Fermi-LAT. 156

Aktiviteten var lavere i januar 2024. Udbruddet viste sammenhængende variationer i en stor del af det observerede elektromagnetiske spektrum, mens radioudsendelsen forblev forholdsvis stabil. 1

Hvorfor var gammastrålerne så vanskelige at opdage?

Gammastråler med energier over 100 GeV har svært ved at rejse gennem kosmologiske afstande. Undervejs møder de det ekstragalaktiske baggrundslys – også kaldet EBL – som består af det diffuse optiske og infrarøde lys, der er udsendt af stjerner og galakser gennem universets historie. 147

En tilstrækkeligt energirig gammafoton kan kollidere med en foton fra EBL og danne et elektron-positron-par:

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

Når det sker, fjernes den oprindelige gammafoton fra den stråle, der er på vej mod Jorden. At forskerne alligevel kunne registrere VHE-fotoner fra et objekt med en rødforskydning tæt på 1, viser derfor, at en del af strålingen overlevede en rejse på omkring 8 milliarder lysår trods den forventede absorption i EBL. 124

Hvordan blev gammastrålerne dannet?

Modelleringen af OP 313's samlede spektrum peger især på et leptonisk scenarie. Her bevæger elektroner sig med relativistiske hastigheder i blazarens jetstråle. Elektronerne spreder fotoner med lavere energi gennem den inverse Compton-effekt og løfter dem op i gammaområdet. 1

De såkaldte frøfotoner passer med strålingsfelter i området omkring de brede emissionslinjer samt med en støvet torus omkring det supermassive sorte hul, der driver det aktive galaktiske centrum. Studien undersøger både en model med to zoner og en alternativ model med én zone, hvor spredningen foregår længere ude i den støvede torus' strålingsfelt. 1

Absorptionen i EBL er et separat trin. Baggrundslyset skabte ikke gammastrålerne ved kilden; det påvirkede deres udbredelse, efter at de havde forladt jetstrålen og bevæget sig gennem det intergalaktiske rum.

Hvad fortæller fundet om universets baggrundslys?

Hvis EBL var ekstremt tæt, ville langt flere af gammastrålerne fra OP 313 være blevet absorberet, før de nåede frem. De overlevende fotoner gør det derfor muligt at sætte en øvre grænse for intensiteten af EBL omkring 0,6 mikrometer:

• λIλ < 8,74 nW m⁻² sr⁻¹ baseret på analysen af LST-1-data;
• λIλ < 14,7 nW m⁻² sr⁻¹ baseret på MAGIC-data, inklusive systematiske usikkerheder. 1

Der er tale om øvre grænser, ikke en direkte og præcis måling af den nøjagtige EBL-tæthed. Resultaterne viser, hvor meget diffust optisk og nærinfrarødt lys universet højst kan indeholde langs den lange strækning mellem OP 313 og Jorden, uden at den observerede stråling ville være blevet udslettet. 14

En vigtig prøve for LST-1

Opdagelsen var det første videnskabelige resultat fra LST-1, prototypen på Large-Sized Telescope ved Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO). Teleskopet var stadig i indkøringsfasen, da observationen blev foretaget.

LST-1 har en diameter på 23 meter og står på CTAO's nordlige område ved La Palma. Det er designet til at undersøge gammastråler i omtrent området 20 GeV til 3 TeV. Den lave energitærskel og teleskopets store effektive areal var afgørende for at opdage en så fjern kilde, hvis stråling allerede var svækket af EBL. 46

At LST-1 kunne registrere OP 313 under indkøringen, demonstrerer teleskopets evne til at finde fjerne og kortvarige kilder i den lave ende af VHE-området. Den planlagte nordlige del af CTAO med fire LST-teleskoper forventes at styrke mulighederne for følsomhed, spektrumanalyser og hurtig opfølgning på lignende udbrud. De tilgængelige data angiver dog ikke en konkret forbedring for fremtidige udbrud af samme type som OP 313. 417