OP 313, il blazar più lontano mai osservato nei raggi gamma di altissima energia

OP 313 è un quasar radio a spettro piatto (FSRQ), una classe di blazar il cui getto relativistico è orientato quasi direttamente verso la Terra. Il suo redshift è z = 0,997, che corrisponde a una distanza di circa 8 miliardi di anni luce. La rilevazione di raggi gamma di altissima energia, cioè con energie superiori a 100 GeV, lo ha reso il blazar — e il nucleo galattico attivo — più lontano mai osservato in questo intervallo energetico. 124

È importante però precisare il significato del record: OP 313 è la sorgente blazar/AGN più lontana rilevata nei raggi gamma di altissima energia, non la sorgente VHE più lontana in assoluto. Il lampo di raggi gamma GRB 201216C, infatti, si trova a una distanza maggiore. 238

L’eruzione del dicembre 2023

La campagna osservativa è iniziata dopo che il telescopio spaziale Fermi-LAT ha segnalato un aumento dell’attività di OP 313. LST-1 ha cominciato a osservare la sorgente intorno al 9-10 dicembre 2023, mentre altri strumenti hanno avviato osservazioni coordinate su più lunghezze d’onda. 12

Durante l’eccezionale brillamento, il flusso VHE ha raggiunto circa 0,3 unità Crab al di sopra dei 100 GeV. LST-1 ha ottenuto la prima rilevazione dell’emissione VHE di OP 313; i due telescopi MAGIC hanno poi confermato il segnale in modo indipendente. I ricercatori hanno combinato i dati di LST-1 e MAGIC con osservazioni a energie più basse provenienti da altre strutture, incluso Fermi-LAT. 156

Nel gennaio 2024 l’attività era già diminuita. Il brillamento mostrava variazioni correlate in gran parte dello spettro elettromagnetico osservato, mentre l’emissione radio restava relativamente stabile. 1

Perché rilevare il segnale era così difficile

I raggi gamma con energie superiori a 100 GeV non attraversano facilmente le distanze cosmologiche. Durante il viaggio incontrano la luce extragalattica di fondo (EBL), l’insieme diffuso della radiazione ottica e infrarossa prodotta da stelle e galassie nel corso della storia dell’Universo. 147

Un fotone gamma sufficientemente energetico può interagire con un fotone dell’EBL e generare una coppia elettrone-positrone:

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

In questo modo il fotone gamma originario viene sottratto al fascio che viaggia verso la Terra. Rilevare fotoni VHE da una sorgente con redshift vicino a 1 significa quindi che una parte dell’emissione è riuscita a percorrere circa 8 miliardi di anni luce nonostante l’assorbimento previsto da parte dell’EBL. 124

È proprio questa difficoltà a rendere OP 313 il blazar e AGN più distante mai osservato in questo regime energetico.

Come si sono prodotti i raggi gamma

La modellizzazione dell’intero spettro favorisce uno scenario leptonico. In questo modello, elettroni che si muovono a velocità relativistiche nel getto del blazar diffondono fotoni di energia più bassa attraverso il processo Compton inverso, trasformandoli in fotoni gamma molto energetici. 1

I fotoni-seme sono compatibili con i campi di radiazione presenti nella regione delle linee di emissione larghe e nel toro di polveri che circonda il buco nero supermassiccio responsabile dell’alimentazione del nucleo galattico attivo. Lo studio considera sia un modello a due zone sia un’alternativa a zona singola, in cui la diffusione avviene più lontano, nel campo di radiazione del toro di polveri. 1

L’assorbimento da parte dell’EBL è un fenomeno distinto: non ha prodotto i raggi gamma alla sorgente, ma ne ha modificato la propagazione dopo l’uscita dal getto, durante il viaggio nello spazio intergalattico.

Un limite alla quantità di luce extragalattica

Se l’EBL fosse troppo densa, avrebbe assorbito una quantità di raggi gamma maggiore di quella osservata. La luce sopravvissuta proveniente da OP 313 consente quindi di stabilire un limite superiore alla sua intensità intorno a 0,6 micrometri:

• λIλ < 8,74 nW m⁻² sr⁻¹ nell’analisi dei dati di LST-1;
• λIλ < 14,7 nW m⁻² sr⁻¹ nell’analisi dei dati MAGIC, includendo le incertezze sistematiche. 1

Questi valori non sono una misura diretta e precisa della densità dell’EBL. Indicano piuttosto quanta luce ottica diffusa e infrarossa vicina può esistere lungo il percorso senza cancellare l’emissione osservata. 14

La prima conferma scientifica di LST-1

La scoperta è stata il primo risultato scientifico di LST-1, il prototipo del Large-Sized Telescope dell’Osservatorio del Cherenkov Telescope Array (CTAO), ottenuto mentre lo strumento era ancora in fase di messa in servizio. La soglia energetica particolarmente bassa e l’ampia superficie efficace del telescopio sono state decisive per individuare una sorgente così lontana e indebolita dall’EBL. 46

LST-1 ha un diametro di 23 metri e si trova presso il sito settentrionale del CTAO, a La Palma. È progettato per operare indicativamente tra 20 GeV e 3 TeV. 4 La rilevazione di OP 313 durante la fase di commissioning dimostra concretamente la capacità dello strumento di individuare sorgenti lontane e transitorie nella parte bassa dell’intervallo VHE.

La configurazione prevista con quattro LST nel sito settentrionale dovrebbe rafforzare la sensibilità, gli studi spettrali e la rapidità di osservazione di eventi analoghi. Le informazioni disponibili, tuttavia, non quantificano un miglioramento specifico per futuri brillamenti simili a quello di OP 313. 417