Πώς το OP 313 έγινε το πιο μακρινό μπλαζάρ στις ακτίνες γάμμα

Το OP 313 είναι ένα flat-spectrum radio quasar (FSRQ), δηλαδή ένα μπλαζάρ του οποίου ο σχετικιστικός πίδακας είναι στραμμένος προς τη Γη. Με ερυθρομετάθεση z = 0,997, βρίσκεται περίπου 8 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Η ανίχνευση ακτίνων γάμμα πολύ υψηλής ενέργειας (VHE, πάνω από 100 GeV) από την πηγή το κατέστησε το πιο μακρινό μπλαζάρ —και ενεργό γαλαξιακό πυρήνα— που έχει παρατηρηθεί σε αυτό το ενεργειακό καθεστώς. 124

Η διατύπωση έχει μια σημαντική διευκρίνιση: το OP 313 είναι το πιο μακρινό μπλαζάρ/AGN που ανιχνεύθηκε σε VHE ακτίνες γάμμα, όχι η πιο μακρινή VHE πηγή οποιουδήποτε τύπου. Η έκλαμψη ακτίνων γάμμα GRB 201216C βρίσκεται σε μεγαλύτερη απόσταση. 238

Η έκλαμψη του Δεκεμβρίου 2023

Η παρατήρηση ξεκίνησε αφού το διαστημικό τηλεσκόπιο Fermi-LAT κατέγραψε αυξημένη δραστηριότητα του OP 313. Το LST-1 άρχισε να παρατηρεί την πηγή περίπου στις 9–10 Δεκεμβρίου 2023, ενώ ακολούθησαν συντονισμένες παρατηρήσεις σε πολλά μήκη κύματος. 12

Κατά τη διάρκεια της εξαιρετικά φωτεινής έκλαμψης, η ροή VHE έφτασε περίπου τα 0,3 Crab Units πάνω από 100 GeV. Το LST-1 κατέγραψε για πρώτη φορά VHE εκπομπή από το OP 313, ενώ τα δύο τηλεσκόπια MAGIC επιβεβαίωσαν ανεξάρτητα την ανίχνευση. Η ανάλυση συνδύασε τα δεδομένα LST-1 και MAGIC με μετρήσεις χαμηλότερων ενεργειών από άλλες εγκαταστάσεις, συμπεριλαμβανομένου του Fermi-LAT. 156

Η δραστηριότητα ήταν χαμηλότερη τον Ιανουάριο του 2024. Η έκλαμψη εμφάνισε συσχέτιση σε μεγάλο μέρος του παρατηρούμενου ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, ενώ η ραδιοεκπομπή παρέμεινε συγκριτικά σταθερή. 1

Γιατί η ανίχνευση ήταν τόσο δύσκολη

Οι ακτίνες γάμμα άνω των 100 GeV δεν ταξιδεύουν εύκολα σε κοσμολογικές αποστάσεις. Στη διαδρομή τους συναντούν το εξωγαλαξιακό φως υποβάθρου (EBL), το διάχυτο οπτικό και υπέρυθρο φως που έχει παραχθεί από άστρα και γαλαξίες σε όλη την ιστορία του Σύμπαντος. 147

Ένα φωτόνιο γάμμα αρκετά υψηλής ενέργειας μπορεί να αλληλεπιδράσει με ένα φωτόνιο του EBL και να δημιουργήσει ζεύγος ηλεκτρονίου–ποζιτρονίου:

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

Η διαδικασία αυτή αφαιρεί το αρχικό φωτόνιο γάμμα από τη δέσμη που φτάνει στη Γη. Επομένως, η ανίχνευση VHE φωτονίων από ένα αντικείμενο σε ερυθρομετάθεση περίπου 1 δείχνει ότι ένα μέρος της εκπομπής του κατάφερε να διασχίσει περίπου 8 δισεκατομμύρια έτη φωτός παρά την αναμενόμενη απορρόφηση από το EBL. 124

Πώς παρήχθησαν οι ακτίνες γάμμα

Η μοντελοποίηση του πλήρους φάσματος ευνοεί ένα λεπτονικό σενάριο. Σε αυτό, ηλεκτρόνια που κινούνται σχετικιστικά μέσα στον πίδακα του μπλαζάρ σκεδάζουν φωτόνια χαμηλότερης ενέργειας μέσω αντίστροφου φαινομένου Compton, μετατρέποντάς τα σε φωτόνια γάμμα υψηλής ενέργειας. 1

Τα φωτόνια-«σπόροι» είναι συμβατά με πεδία ακτινοβολίας στην περιοχή των ευρέων γραμμών εκπομπής και σε έναν σκονισμένο τόρο γύρω από τον υπερμεγέθη μαύρο τρύπα που τροφοδοτεί τον ενεργό γαλαξιακό πυρήνα. Η μελέτη εξετάζει τόσο ένα μοντέλο δύο ζωνών όσο και μια εναλλακτική λύση μίας ζώνης, στην οποία η σκέδαση γίνεται πιο μακριά, στο πεδίο του σκονισμένου τόρου. 1

Η απορρόφηση από το EBL είναι διαφορετικό στάδιο: δεν δημιούργησε τις ακτίνες γάμμα στην πηγή, αλλά επηρέασε την εξάπλωσή τους αφού αυτές εγκατέλειψαν τον πίδακα και ταξίδεψαν στον διαγαλαξιακό χώρο.

Τι αποκαλύπτει για το εξωγαλαξιακό φως υποβάθρου

Αν το EBL ήταν υπερβολικά πυκνό, θα απορροφούσε περισσότερες από τις ακτίνες γάμμα που παρατηρήθηκαν. Η επιβίωση της εκπομπής του OP 313 επιτρέπει έτσι να τεθεί άνω όριο στην ένταση του EBL κοντά στα 0,6 μm:

• λIλ < 8,74 nW m⁻² sr⁻¹ από την ανάλυση των δεδομένων LST-1·
• λIλ < 14,7 nW m⁻² sr⁻¹ από τα δεδομένα MAGIC, με τις συστηματικές αβεβαιότητες να περιλαμβάνονται. 1

Οι τιμές αυτές είναι περιορισμοί προς τα πάνω, όχι άμεση μέτρηση της ακριβούς πυκνότητας του EBL. Δείχνουν πόσο διάχυτο οπτικό και κοντινό υπέρυθρο φως μπορεί να υπάρχει κατά μήκος της διαδρομής χωρίς να εξαφανίζει την παρατηρούμενη ακτινοβολία. 14

Τι σημαίνει για το LST-1 και το CTAO

Η ανακάλυψη αποτέλεσε το πρώτο επιστημονικό αποτέλεσμα του LST-1, του πρωτοτύπου Large-Sized Telescope του Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), ενώ αυτό βρισκόταν ακόμη σε φάση commissioning. Η χαμηλή ενεργειακή κατωφλίωση και η μεγάλη ενεργός επιφάνειά του ήταν κρίσιμες για την ανίχνευση μιας τόσο μακρινής, εξασθενημένης από το EBL πηγής. 46

Το LST-1 είναι τηλεσκόπιο διαμέτρου 23 μέτρων στη θέση του CTAO στη Λα Πάλμα, σχεδιασμένο να καλύπτει περίπου την περιοχή 20 GeV έως 3 TeV. 4 Η επιτυχής ανίχνευση κατά τη διάρκεια της commissioning φάσης αποτελεί πρακτική επίδειξη της ικανότητάς του να εντοπίζει παροδικές και μακρινές πηγές χαμηλά στο VHE ενεργειακό εύρος.

Η προβλεπόμενη διάταξη τεσσάρων LST στη βόρεια εγκατάσταση του CTAO αναμένεται να ενισχύσει τις δυνατότητες ευαισθησίας, φασματικής μελέτης και γρήγορης παρακολούθησης τέτοιων γεγονότων. Ωστόσο, τα διαθέσιμα στοιχεία δεν ποσοτικοποιούν συγκεκριμένη βελτίωση για μελλοντικές εκλάμψεις τύπου OP 313. 417