OP 313 Jadi Blazar Terjauh yang Terdeteksi dalam Sinar Gamma Berenergi Sangat Tinggi

Rekor OP 313 bukan tanpa catatan

OP 313 merupakan flat-spectrum radio quasar (FSRQ), yakni salah satu jenis blazar dengan jet partikel relativistik yang kebetulan mengarah hampir tepat ke Bumi. Dengan pergeseran merah z = 0,997, objek ini diperkirakan berjarak sekitar 8 miliar tahun cahaya. 124

Deteksi emisi sinar gamma berenergi sangat tinggi atau very-high-energy (VHE)—di atas 100 GeV—menjadikan OP 313 blazar sekaligus inti galaksi aktif (AGN) terjauh yang pernah diamati dalam rentang energi tersebut. 124

Namun, ada perbedaan penting: OP 313 bukan sumber VHE terjauh dari semua jenis objek. Ledakan sinar gamma GRB 201216C diketahui berada pada jarak yang lebih jauh. OP 313 memegang rekor khusus untuk kategori blazar atau AGN. 238

Letusan Desember 2023 membuka peluang pengamatan

Pengamatan dimulai setelah teleskop antariksa Fermi-LAT mendeteksi peningkatan aktivitas dari OP 313. LST-1 kemudian mengarahkan pengamatan ke sumber tersebut sekitar 9–10 Desember 2023, disusul observasi terkoordinasi pada berbagai panjang gelombang. 12

Dalam letusan yang sangat terang itu, fluks sinar gamma VHE OP 313 mencapai sekitar 0,3 satuan Crab di atas 100 GeV. LST-1 untuk pertama kalinya mendeteksi emisi VHE dari objek tersebut, sementara dua teleskop MAGIC melakukan konfirmasi independen. Para peneliti lalu menggabungkan data LST-1 dan MAGIC dengan pengukuran energi lebih rendah dari fasilitas lain, termasuk Fermi-LAT. 156

Aktivitas OP 313 sudah lebih rendah pada Januari 2024. Letusan Desember menunjukkan korelasi pada sebagian besar rentang spektrum elektromagnetik yang diamati, sedangkan emisi radionya relatif stabil. 1

Mengapa sinar gamma dari jarak sejauh ini sulit ditangkap?

Sinar gamma dengan energi di atas 100 GeV tidak mudah melintasi jarak kosmologis. Sepanjang perjalanannya, foton-foton ini dapat bertemu dengan cahaya latar ekstragalaksi atau extragalactic background light (EBL)—cahaya optik dan inframerah redup yang dihasilkan oleh bintang serta galaksi sepanjang sejarah alam semesta. 147

Ketika foton gamma berenergi tinggi berinteraksi dengan foton EBL, keduanya dapat menghasilkan pasangan elektron–positron:

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

Proses ini menghilangkan foton gamma awal dari berkas yang bergerak menuju Bumi. Karena itu, keberhasilan mendeteksi foton VHE dari objek dengan pergeseran merah mendekati 1 menunjukkan bahwa sebagian emisinya mampu menempuh perjalanan sekitar 8 miliar tahun cahaya meski menghadapi penyerapan oleh EBL. 124

Dari mana sinar gamma OP 313 berasal?

Pemodelan terhadap keseluruhan spektrum OP 313 lebih mendukung skenario leptonik. Dalam skenario ini, elektron yang bergerak mendekati kecepatan cahaya di dalam jet blazar menghamburkan foton berenergi rendah melalui proses inverse Compton. Foton-foton tersebut kemudian memperoleh energi jauh lebih tinggi dan muncul sebagai sinar gamma. 1

Foton pemicu atau foton “benih” yang dihamburkan elektron kemungkinan berasal dari medan radiasi di wilayah garis emisi lebar serta dari torus berdebu yang mengelilingi lubang hitam supermasif di pusat AGN. Studi tersebut menguji model dua zona dan alternatif model satu zona, dengan proses hamburan berlangsung lebih jauh di dalam medan radiasi torus berdebu. 1

Penyerapan oleh EBL adalah tahap yang berbeda. EBL tidak menghasilkan sinar gamma di dalam sumber, tetapi memengaruhi foton setelah meninggalkan jet dan saat menempuh ruang antargalaksi.

Deteksi ini membatasi jumlah cahaya latar di alam semesta

Jika EBL terlalu padat, lebih banyak sinar gamma OP 313 akan terserap sebelum mencapai Bumi. Berdasarkan emisi yang masih terdeteksi, peneliti dapat menetapkan batas atas intensitas EBL di sekitar panjang gelombang 0,6 mikrometer:

• λIλ < 8,74 nW m⁻² sr⁻¹ berdasarkan analisis data LST-1;
• λIλ < 14,7 nW m⁻² sr⁻¹ berdasarkan data MAGIC, dengan ketidakpastian sistematis turut diperhitungkan. 1

Angka tersebut bukan pengukuran langsung dan presisi atas kepadatan EBL. Nilai itu menunjukkan batas maksimum cahaya optik difus dan inframerah dekat yang dapat berada di sepanjang jalur perjalanan sinar gamma tanpa menghilangkan emisi yang teramati. 14

Ujian penting bagi LST-1 dan CTAO

Penemuan ini menjadi hasil ilmiah perdana LST-1, prototipe Large-Sized Telescope milik Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), ketika teleskop tersebut masih berada dalam tahap commissioning atau pengujian dan penyetelan sistem. Ambang energi yang rendah serta area efektifnya yang besar sangat penting untuk mendeteksi sumber yang jauh dan sinyalnya telah dilemahkan oleh EBL. 46

LST-1 berdiameter 23 meter dan berada di lokasi CTAO di La Palma. Teleskop ini dirancang untuk mencakup kisaran energi sekitar 20 GeV hingga 3 TeV. 4 Deteksi OP 313 menunjukkan bahwa LST-1 sudah mampu menemukan sumber jauh dan peristiwa sementara pada ujung energi VHE yang lebih rendah, bahkan sebelum tahap commissioning selesai.

CTAO juga merencanakan susunan empat teleskop LST di fasilitas utaranya. Konfigurasi tersebut diharapkan meningkatkan kemampuan observatorium dalam hal sensitivitas, kajian spektrum, dan tindak lanjut cepat terhadap letusan seperti ini. Meski demikian, data yang tersedia belum memberikan angka pasti mengenai seberapa besar peningkatan kinerja untuk peristiwa yang mirip dengan OP 313. 417