OP 313: Der bislang fernste Blazar im Bereich sehr hochenergetischer Gammastrahlung

Ein Signal aus einer sehr fernen kosmischen Quelle

Die Beobachtungen haben OP 313 bei einer Rotverschiebung von z = 0,997 als den bislang fernsten Blazar bestätigt, der bei sehr hohen Energien – also bei VHE-Gammastrahlung (very high energy, mehr als 100 GeV) – nachgewiesen wurde. Während eines Ausbruchs im Dezember 2023 maßen das Large-Sized Telescope 1 (LST-1) und die beiden MAGIC-Teleskope ein deutliches Signal von etwa 0,3 Crab-Einheiten oberhalb von 100 GeV. Die Quelle ist rund 8 Milliarden Lichtjahre entfernt. 3

OP 313 ist ein sogenannter Flach-Spektrum-Radiok才asar (FSRQ), eine besonders aktive Form eines aktiven galaktischen Kerns. Im Zentrum solcher Objekte sitzt ein supermassereiches Schwarzes Loch, dessen Materieeinfall einen gebündelten, relativistischen Teilchenjet antreiben kann.

Wie LST-1 und MAGIC die Gammastrahlung nachwiesen

Der Auslöser für die Beobachtung war ein Hinweis des Weltraumteleskops Fermi-LAT, das eine erhöhte Aktivität von OP 313 registriert hatte. LST-1 reagierte auf diesen Alarm. Seine große Sammelfläche und die niedrige Energieschwelle waren entscheidend, um die vergleichsweise energiearmen VHE-Photonen einer so weit entfernten Quelle nachzuweisen. Die Messungen der beiden MAGIC-Teleskope bestätigten und erweiterten das Ergebnis. 73

Die Teleskope beobachten Gammastrahlen nicht direkt mit herkömmlichen Detektoren. Treffen die energiereichen Photonen auf die Erdatmosphäre, lösen sie kurze Teilchenschauer aus. Diese erzeugen schwache, nur wenige Milliardstel Sekunden dauernde Cherenkow-Blitze. Aus diesen Lichtsignalen rekonstruieren die Forschenden Energie und Richtung der ursprünglichen Gammaphotonen.

Warum die Entfernung wissenschaftlich wichtig ist

Das Licht von OP 313 war etwa 8 Milliarden Jahre unterwegs. Die beobachtete Strahlung stammt damit aus einer Zeit, in der das Universum deutlich jünger war – aus einer Epoche nach dem Höhepunkt der kosmischen Sternentstehung, der häufig als „kosmischer Mittag“ bezeichnet wird. Der Rekord bezieht sich dabei ausdrücklich auf einen Blazar beziehungsweise aktiven galaktischen Kern im VHE-Bereich und nicht zwangsläufig auf jede Art von transienter Gammastrahlenquelle. 31

Gerade die große Entfernung macht den Nachweis bemerkenswert: Gammastrahlen mit sehr hohen Energien werden auf ihrem Weg durch den Kosmos stark abgeschwächt.

Das diffuse Licht zwischen den Galaxien als kosmischer Filter

Auf ihrer Reise wechselwirken die VHE-Gammastrahlen mit Photonen im optischen und infraroten Bereich. Diese Strahlung bildet die extragalaktische Hintergrundstrahlung (EBL, extragalactic background light) – das über die kosmische Geschichte angesammelte Licht von Sternen und Galaxien.

Bei einer solchen Wechselwirkung kann ein Gammaphoton in ein Elektron-Positron-Paar umgewandelt werden. Das ursprüngliche Photon verschwindet dadurch aus dem Beobachtungsstrahl; zugleich hinterlässt die energieabhängige Abschwächung einen charakteristischen Fingerabdruck im gemessenen Spektrum.

Indem die Forschenden das ursprüngliche Spektrum gemeinsam mit Daten von Fermi, LST-1 und MAGIC modellierten, konnten sie Obergrenzen für die Gesamtdichte der EBL ableiten. Für die LST-1-Auswertung ergibt sich bei einer Wellenlänge von 0,6 Mikrometern beispielsweise:

λIλ < 8,74 nW m⁻² sr⁻¹. 3

Die Gammastrahlung von OP 313 dient damit nicht nur als Botschaft aus einem fernen aktiven Galaxienkern. Sie fungiert zugleich als Messsonde für das schwache Hintergrundlicht, das den intergalaktischen Raum erfüllt.

Was den Ausbruch antreibt

Die breitbandigen Beobachtungen passen zu einem Modell, in dem sich Elektronen im Jet von OP 313 nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Durch inverse Compton-Streuung geben diese Elektronen energieärmeren Photonen einen kräftigen Energieschub und heben sie in den Gammaenergiebereich an. Da der Jet annähernd in unsere Blickrichtung zeigt, verstärkt relativistisches Beaming die Strahlung zusätzlich. 3

Ein wichtiger Test für LST-1

Die Beobachtung war die erste wissenschaftliche Entdeckung des LST-1, obwohl sich der Prototyp noch in der Inbetriebnahme befand. Das Ergebnis zeigt, dass das Teleskop bereits im energieärmeren VHE-Bereich empfindlich genug ist, um weit entfernte Quellen zu untersuchen, deren Strahlung durch die EBL besonders stark gedämpft wird.

Am Standort La Palma soll am 15. Oktober 2026 das geplante CTAO-Nord-Teilsystem mit vier Large-Sized Telescopes eingeweiht werden. Die Anlage ist darauf ausgelegt, Gammastrahlen bis hinunter zu ungefähr 20 GeV zu erfassen. Dadurch könnten künftig noch weiter entfernte Gammaquellen sichtbar werden. 1245