OP 313 rikkoi kaukaisen gammasäteilyn ennätyksen

OP 313 on tasaisen radiospektrin radiokvasaari (flat-spectrum radio quasar, FSRQ) eli blasaari, jonka relativistinen hiukkassuihku osoittaa kohti Maata. Sen punasiirtymä on z = 0,997, mikä vastaa noin 8 miljardin valovuoden etäisyyttä. Kohteesta havaittiin erittäin suurienergisiä gammasäteitä (VHE, yli 100 GeV), joten siitä tuli kaukaisin tässä energia-alueessa havaittu blasaari ja aktiivinen galaktinen ydin. 124

Ennätyksellä on kuitenkin tärkeä rajaus: OP 313 on kaukaisin blasaari eli aktiivinen galaktinen ydin, joka on havaittu VHE-gammasäteissä. Se ei ole kaukaisin VHE-säteilyn lähde kaikista lähdetyypeistä, sillä gammapurkaus GRB 201216C on sitä kauempana. 238

Joulukuun 2023 poikkeuksellinen purkaus

Havainnot käynnistyivät sen jälkeen, kun avaruusteleskooppi Fermi-LAT havaitsi OP 313:n aktiivisuuden lisääntyneen. LST-1 alkoi tarkkailla kohdetta noin 9.–10. joulukuuta 2023, minkä jälkeen sitä seurattiin koordinoidusti useilla aallonpituusalueilla. 12

Poikkeuksellisen kirkkaan purkauksen aikana VHE-säteilyn vuo nousi noin 0,3 Crab-yksikköön yli 100 GeV:n energioilla. LST-1 havaitsi OP 313:sta VHE-säteilyä ensimmäistä kertaa, ja La Palmalla toimivat kaksi MAGIC-teleskooppia vahvistivat tuloksen riippumattomasti. Tutkimuksessa yhdistettiin LST-1:n ja MAGICin aineistot muiden observatorioiden, kuten Fermi-LATin, matalaenergisempiin mittauksiin. 156

Kohteen aktiivisuus oli tammikuussa 2024 jo vähäisempää. Purkaus korreloi suurelta osin eri havaituilla sähkömagneettisen spektrin alueilla, kun taas radiosäteily pysyi suhteellisen vakaana. 1

Miksi näin kaukaisen lähteen havaitseminen oli vaikeaa?

Yli 100 GeV:n gammasäteet eivät kulje helposti kosmisten etäisyyksien halki. Matkallaan ne kohtaavat ekstragalaktisen taustavalon (extragalactic background light, EBL), joka koostuu tähtien ja galaksien maailmankaikkeuden historian aikana tuottamasta hajanaisesta näkyvästä ja infrapunavalosta. 147

Riittävän energinen gammasäde voi törmätä EBL:n fotoniin ja synnyttää elektroni–positroniparin:

γ + γ → e⁺ + e⁻

Tällöin alkuperäinen gammasädefotoni poistuu Maahan saapuvasta säteilykeilasta. Siksi yli 100 GeV:n fotonien havaitseminen kohteesta, jonka punasiirtymä on lähes yksi, on poikkeuksellisen haastavaa. OP 313:n tapauksessa osa säteilystä onnistui kulkemaan noin 8 miljardin valovuoden matkan EBL:n aiheuttamasta vaimenemisesta huolimatta. 124

Miten gammasäteily syntyi?

Koko säteilyspektrin mallinnus tukee leptonista skenaariota. Siinä blasaari-suihkun relativistiset elektronit sirottavat matalaenergisiä fotoneja käänteisen Comptonin ilmiön kautta ja muuttavat ne suurienergisiksi gammasäteiksi. 1

Alkuperäisiksi eli sirotettaviksi fotoneiksi sopivat säteilykentät aktiivisen galaktisen ytimen leveiden emissioviivojen alueella sekä supermassiivista mustaa aukkoa ympäröivässä pölyisessä toruksessa. Tutkimuksessa tarkastellaan sekä kaksivyöhykkeistä mallia että vaihtoehtoista yksivyöhykkeistä mallia, jossa sironta tapahtuu kauempana pölyisen toruksen säteilykentässä. 1

EBL:n aiheuttama absorptio tapahtui vasta myöhemmässä vaiheessa. Se ei synnyttänyt gammasäteitä lähteessä, vaan heikensi niiden kulkua sen jälkeen, kun säteily oli poistunut suihkusta ja lähtenyt etenemään galaksienväliseen avaruuteen.

Havainto rajoittaa maailmankaikkeuden taustavalon määrää

Jos EBL olisi liian tiheää, se olisi absorboinut enemmän gammasäteitä kuin havaittiin. OP 313:n säteilyn säilyminen mahdollistaa siten EBL:n voimakkuudelle ylärajan asettamisen noin 0,6 mikrometrin aallonpituudella:

• λIλ < 8,74 nW m⁻² sr⁻¹ LST-1-aineiston analyysin perusteella;
• λIλ < 14,7 nW m⁻² sr⁻¹ MAGIC-aineiston perusteella, systemaattiset epävarmuudet mukaan lukien. 1

Nämä ovat ylärajoja, eivät EBL:n tarkan tiheyden suoria mittauksia. Ne kertovat, kuinka paljon hajanaista näkyvää ja lähi-infrapunavaloa säteilyn kulkureitillä voi enimmillään olla ilman, että havaittu gammasäteily olisi kokonaan vaimentunut. 14

LST-1:n ensimmäinen tieteellinen tulos

Havainto oli LST-1:n ensimmäinen tieteellinen tulos. LST-1 on Cherenkov Telescope Array Observatoryn (CTAO) pohjoisen havaintopaikan Large-Sized Telescope -prototyyppi, joka oli havaintojen aikaan vielä käyttöönottovaiheessa eli commissioning-vaiheessa. Sen matala energia-kynnys ja suuri tehollinen pinta-ala olivat ratkaisevia näin kaukaisen ja EBL:n heikentämän lähteen havaitsemisessa. 46

La Palmalla sijaitseva LST-1 on halkaisijaltaan 23 metriä, ja se on suunniteltu havaitsemaan säteilyä noin 20 GeV:n ja 3 TeV:n välisellä energia-alueella. 4 OP 313:n havaitseminen jo käyttöönottovaiheessa osoitti käytännössä, että teleskooppi kykenee löytämään nopeasti muuttuvia ja kaukaisia lähteitä VHE-alueen matalaenergisimmässä osassa.

CTAO:n La Palman pohjoiselle havaintopaikalle suunnitellun neljän LST-teleskoopin kokonaisuuden odotetaan parantavan tällaisten kohteiden herkkyyttä, spektrien tutkimista ja nopeaa seurantaa. Käytettävissä olevat tiedot eivät kuitenkaan anna tarkkaa lukua sille, kuinka paljon suorituskyky paranisi juuri OP 313:n kaltaisten purkausten kohdalla. 417