OP 313 : le blazar le plus lointain jamais détecté en rayons gamma très énergétiques

OP 313 est un quasar radio à spectre plat (FSRQ), une catégorie de blazar dont le jet de particules relativistes est orienté vers la Terre. Avec un décalage vers le rouge de z = 0,997, il se situe à environ 8 milliards d’années-lumière. La détection de rayons gamma de très haute énergie — ou VHE, pour very-high energy — au-delà de 100 GeV en a fait le blazar et le noyau actif de galaxie les plus lointains jamais observés dans ce régime énergétique. 124

Une précision est toutefois nécessaire : OP 313 n’est pas la source VHE la plus lointaine tous types d’objets confondus. Le sursaut gamma GRB 201216C se trouve encore plus loin. 238

Une flambée observée en décembre 2023

L’observation a commencé après que le télescope spatial Fermi-LAT a signalé une hausse de l’activité d’OP 313. Le LST-1 a commencé à suivre la source autour des 9 et 10 décembre 2023, avant que des observations coordonnées ne soient menées sur plusieurs longueurs d’onde. 12

Au cours de cette flambée exceptionnelle, le flux VHE a atteint environ 0,3 unité Crab au-dessus de 100 GeV. Le LST-1 a alors détecté pour la première fois une émission VHE provenant d’OP 313. Les deux télescopes MAGIC ont ensuite confirmé indépendamment le signal. L’analyse a combiné les données du LST-1 et de MAGIC avec des mesures à plus basse énergie réalisées par d’autres instruments, dont Fermi-LAT. 156

L’activité était déjà plus faible en janvier 2024. La flambée présentait une évolution corrélée sur une grande partie du spectre électromagnétique observé, tandis que l’émission radio restait relativement stable. 1

Pourquoi cette détection est difficile

Les rayons gamma de plus de 100 GeV ne se propagent pas facilement sur des distances cosmologiques. En chemin, ils rencontrent la lumière extragalactique de fond — l’EBL, pour extragalactic background light — qui correspond à la lumière optique et infrarouge diffuse produite par les étoiles et les galaxies au cours de l’histoire de l’Univers. 147

Un photon gamma suffisamment énergétique peut interagir avec un photon de l’EBL et créer une paire électron-positon :

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

Cette réaction retire le photon gamma initial du faisceau qui parvient jusqu’à la Terre. La détection de photons VHE provenant d’un objet situé à un décalage vers le rouge proche de 1 signifie donc qu’une partie de son émission a réussi à parcourir près de 8 milliards d’années-lumière malgré l’absorption attendue par l’EBL. 124

C’est cette combinaison entre la distance d’OP 313 et l’énergie des photons observés qui établit le record pour un blazar ou un noyau actif de galaxie.

Comment les rayons gamma ont-ils été produits ?

La modélisation de l’ensemble du spectre favorise un scénario leptonique. Dans ce modèle, des électrons se déplaçant à une vitesse relativiste dans le jet du blazar diffusent des photons de faible énergie par effet Compton inverse. Les photons gagnent alors suffisamment d’énergie pour devenir des rayons gamma. 1

Les photons « graines » pourraient provenir des champs de rayonnement associés à la région des raies larges et à un tore de poussière entourant le trou noir supermassif qui alimente le noyau actif. L’étude examine à la fois un modèle à deux zones et une solution alternative à une seule zone, dans laquelle la diffusion se produirait plus loin, au niveau du tore poussiéreux. 1

L’absorption par l’EBL intervient à une étape différente : elle n’a pas produit les rayons gamma à la source. Elle a modifié leur propagation après leur sortie du jet, pendant leur voyage à travers l’espace intergalactique.

Ce que le signal révèle sur la lumière de fond de l’Univers

Si l’EBL était trop dense, elle aurait absorbé davantage de rayons gamma que ce qui a été observé. La lumière ayant survécu à son trajet permet donc d’établir une limite supérieure à l’intensité de l’EBL autour de 0,6 micromètre :

• λIλ < 8,74 nW m⁻² sr⁻¹ avec l’analyse des données du LST-1 ;
• λIλ < 14,7 nW m⁻² sr⁻¹ avec les données de MAGIC, en incluant les incertitudes systématiques. 1

Ces valeurs ne constituent pas une mesure directe et précise de la densité réelle de l’EBL. Elles indiquent plutôt la quantité maximale de lumière optique diffuse et de proche infrarouge que l’Univers peut contenir le long d’un trajet similaire sans faire disparaître l’émission observée. 14

Une première validation importante pour le LST-1

Cette découverte est le premier résultat scientifique du LST-1, le prototype du Large-Sized Telescope du Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), alors qu’il était encore en phase de mise en service. Son seuil d’énergie particulièrement bas et sa grande surface collectrice ont été déterminants pour repérer une source aussi lointaine, dont le signal avait été affaibli par l’EBL. 46

Installé à La Palma, le LST-1 est un télescope de 23 mètres de diamètre conçu pour explorer approximativement la gamme de 20 GeV à 3 TeV. 4 La détection d’OP 313 pendant sa phase de mise en service démontre concrètement sa capacité à repérer des sources lointaines et variables dans la partie la plus basse du domaine VHE.

Le réseau prévu de quatre LST dans le site nord du CTAO devrait renforcer les capacités de sensibilité, d’étude spectrale et de suivi rapide de phénomènes transitoires similaires. Les données disponibles ne permettent toutefois pas de chiffrer précisément l’amélioration attendue pour de futures flambées comparables à celle d’OP 313. 417