OP 313 stellt Entfernungsrekord bei Gammastrahlen auf

OP 313 ist ein Flat-Spectrum Radio Quasar (FSRQ) – ein Blazar, dessen relativistischer Teilchenjet in Richtung Erde zeigt. Bei einer Rotverschiebung von z = 0,997 ist die Quelle etwa 8 Milliarden Lichtjahre entfernt. Der Nachweis sehr hochenergetischer Gammastrahlung (VHE, über 100 GeV) machte OP 313 zum am weitesten entfernten Blazar und aktiven galaktischen Kern, der in diesem Energiebereich beobachtet wurde. 124

Dabei ist eine wichtige Einschränkung nötig: OP 313 ist nicht die am weitesten entfernte VHE-Quelle überhaupt. Der Gammastrahlenausbruch GRB 201216C liegt noch weiter entfernt. Der Rekord bezieht sich auf Blazare beziehungsweise aktive galaktische Kerne. 238

Der Ausbruch im Dezember 2023

Den entscheidenden Hinweis lieferte das Weltraumteleskop Fermi-LAT, das eine ungewöhnlich starke Aktivität von OP 313 registrierte. Das LST-1 begann daraufhin etwa am 9. beziehungsweise 10. Dezember 2023 mit Beobachtungen. Weitere Teleskope schlossen sich der koordinierten Kampagne über mehrere Wellenlängen hinweg an. 12

Während des außergewöhnlich hellen Ausbruchs erreichte die Quelle einen VHE-Fluss von ungefähr 0,3 Crab Units oberhalb von 100 GeV. LST-1 wies die VHE-Emission von OP 313 erstmals nach; die beiden MAGIC-Teleskope bestätigten den Befund unabhängig. Für die Auswertung wurden die Daten von LST-1 und MAGIC mit Messungen bei niedrigeren Energien kombiniert, unter anderem von Fermi-LAT. 156

Im Januar 2024 war die Aktivität deutlich geringer. Die Helligkeit des Ausbruchs zeigte sich in weiten Teilen des beobachteten elektromagnetischen Spektrums miteinander verbunden, während die Radioemission vergleichsweise stabil blieb. 1

Warum der Nachweis so schwierig war

Gammastrahlen mit Energien von mehr als 100 GeV können kosmologische Entfernungen nicht ungehindert zurücklegen. Auf ihrem Weg durch das Universum treffen sie auf das extragalaktische Hintergrundlicht (EBL) – das diffuse optische und infrarote Licht, das Sterne und Galaxien im Laufe der kosmischen Geschichte ausgesendet haben. 147

Ein ausreichend energiereiches Gammaphoton kann mit einem Photon des EBL wechselwirken. Dabei entsteht ein Elektron-Positron-Paar:

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

Das ursprüngliche Gammaphoton verschwindet dadurch aus dem Lichtstrahl, der die Erde erreicht. Dass dennoch VHE-Photonen von OP 313 nach einer Reise von rund 8 Milliarden Jahren beobachtet werden konnten, ist deshalb besonders bemerkenswert. 124

Wie die Gammastrahlung entstand

Die Modellierung des gesamten Spektrums spricht eher für ein leptonisches Szenario. Dabei streuen relativistische Elektronen im Jet des Blazars energieärmere Photonen durch den inversen Compton-Effekt. Die Photonen werden dadurch auf deutlich höhere Energien – bis in den Gammastrahlenbereich – gebracht. 1

Als mögliche „Photonensamen“ kommen Strahlungsfelder in der Region der breiten Emissionslinien sowie in einem staubigen Torus rund um das zentrale, von einer Akkretionsscheibe gespeiste supermassereiche Schwarze Loch infrage. Die Studie untersucht sowohl ein Modell mit zwei Emissionszonen als auch eine alternative Einzonen-Lösung, bei der die Streuung weiter außen im Bereich des staubigen Torus stattfindet. 1

Die Abschwächung durch das EBL war dabei ein nachgelagerter Prozess: Sie erzeugte die Gammastrahlung nicht, sondern beeinflusste deren Ausbreitung, nachdem die Photonen den Jet verlassen hatten und durch den intergalaktischen Raum reisten.

Was die Beobachtung über das kosmische Hintergrundlicht verrät

Wäre das EBL besonders dicht, hätte es mehr Gammastrahlen absorbiert, als tatsächlich beobachtet wurden. Aus der verbleibenden Strahlung konnten die Forschenden daher eine Obergrenze für die Intensität des EBL bei ungefähr 0,6 Mikrometern ableiten:

• λIλ < 8,74 nW m⁻² sr⁻¹ aus der Analyse der LST-1-Daten;
• λIλ < 14,7 nW m⁻² sr⁻¹ aus den MAGIC-Daten, einschließlich systematischer Unsicherheiten. 1

Diese Werte sind keine direkte Präzisionsmessung der tatsächlichen EBL-Dichte. Sie geben vielmehr an, wie intensiv das diffuse optische und nahe infrarote Licht entlang der rund 8 Milliarden Lichtjahre langen Strecke höchstens sein kann, ohne die beobachtete Gammastrahlung vollständig zu unterdrücken. 14

Ein wichtiger Test für LST-1 und CTAO

Die Beobachtung war zugleich das erste wissenschaftliche Ergebnis des LST-1, des Prototyps eines Large-Sized Telescope am Standort des Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) auf La Palma. Das Teleskop befand sich zu diesem Zeitpunkt noch in der Inbetriebnahmephase. Seine niedrige Energieschwelle und die große effektive Sammelfläche waren entscheidend, um eine derart weit entfernte und durch das EBL abgeschwächte Quelle zu erkennen. 46

LST-1 besitzt einen Spiegeldurchmesser von 23 Metern und ist für einen Energiebereich von ungefähr 20 GeV bis 3 TeV ausgelegt. 4 Der Nachweis von OP 313 während der Inbetriebnahme demonstrierte damit praktisch, dass das Teleskop auch kurzzeitig aufflammende, weit entfernte Quellen am unteren Ende des VHE-Bereichs untersuchen kann.

Für den nördlichen CTAO-Standort auf La Palma ist ein Verbund aus vier Large-Sized Telescopes vorgesehen. Er soll die Empfindlichkeit, die spektrale Analyse und die schnelle Nachverfolgung solcher Ausbrüche verbessern. Wie groß der konkrete Fortschritt bei künftigen Ereignissen vom Typ OP 313 ausfallen wird, lässt sich aus den vorliegenden Daten jedoch nicht beziffern. 417