OP 313은 어떻게 감마선 관측 거리 기록을 세웠나

약 80억 광년 떨어진 블레이저 OP 313이 100GeV 이상의 초고에너지(VHE) 감마선으로 관측되면서 관련 관측 거리 기록을 새로 썼다. 적색편이 z = 0.997인 OP 313은 이 에너지 영역에서 발견된 가장 먼 **블레이저이자 활동성 은하핵(AGN)**이다. 124

다만 ‘가장 먼 초고에너지 감마선 천체’라는 표현에는 범위가 있다. OP 313은 가장 먼 블레이저·AGN이지만, 모든 종류의 VHE 천체를 통틀어 가장 먼 것은 아니다. 감마선 폭발 GRB 201216C가 더 먼 곳에 있다. 238

2023년 12월, 기록을 만든 폭발

관측의 출발점은 나사의 감마선 우주망원경 페르미-LAT가 감지한 OP 313의 활동 증가였다. 이에 따라 LST-1은 2023년 12월 9~10일 무렵부터 관측에 들어갔고, 이후 여러 파장대의 망원경이 함께 대상을 추적했다. 12

OP 313은 12월의 매우 밝은 폭발 동안 100GeV 이상에서 약 **0.3 크랩 단위(Crab Units)**의 적분 플럭스를 보였다. 크랩 성운을 기준으로 감마선 세기를 나타내는 단위다. LST-1이 OP 313에서 VHE 방출을 처음 검출했으며, 라 팔마의 로케 데 로스 무차초스 천문대에 있는 두 대의 MAGIC 망원경도 독립적으로 이를 확인했다. 분석에는 LST-1과 MAGIC 자료뿐 아니라 페르미-LAT를 포함한 다른 관측 시설의 저에너지 데이터도 결합됐다. 156

2024년 1월에는 활동성이 낮아졌다. 폭발은 관측된 전자기 스펙트럼의 여러 영역에서 서로 연관된 변화를 보였지만, 전파 방출은 상대적으로 안정적이었다. 1

왜 이렇게 먼 감마선은 보기 어려운가

100GeV를 넘는 감마선은 우주적 거리를 쉽게 통과하지 못한다. 이동 중에 **은하외 배경빛(EBL)**과 부딪힐 수 있기 때문이다. EBL은 우주 역사 전체에 걸쳐 별과 은하가 방출한 희미한 가시광선·적외선이 우주에 축적된 것이다. 147

충분히 높은 에너지의 감마선 광자는 EBL 광자와 충돌해 전자와 양전자의 쌍을 만들 수 있다.

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

이 과정이 일어나면 원래 감마선 광자는 지구까지 도달하는 빔에서 사라진다. 따라서 적색편이 약 1, 즉 약 80억 광년 거리의 천체에서 100GeV 이상 감마선이 살아남은 채 관측됐다는 사실 자체가 이례적이다. 이것이 OP 313이 VHE 블레이저·AGN 가운데 거리 기록을 세운 이유다. 124

감마선은 어디서 만들어졌나

연구진의 전체 스펙트럼 모델링은 렙톤 시나리오를 지지한다. 이 모델에서는 블레이저 제트 안의 상대론적 전자들이 주변의 낮은 에너지 광자를 역콤프턴 산란으로 증폭해 고에너지 감마선으로 바꾼다. 1

‘씨앗’이 되는 광자는 초대질량 블랙홀 주변의 광대역 방출선 영역과 먼지 토러스의 복사장에 해당하는 것으로 분석됐다. 연구진은 제트 안의 서로 다른 두 영역에서 산란이 일어나는 2구역 모델과, 산란 영역이 더 먼 먼지 토러스 부근에 있다고 보는 1구역 대안 모델을 함께 검토했다. 1

여기서 EBL의 역할은 감마선을 만드는 것이 아니라, 감마선이 제트에서 빠져나온 뒤 은하 사이 공간을 이동하는 동안 일부를 흡수하는 것이다.

우주 배경빛의 밀도에도 상한선을 제시

EBL이 지나치게 조밀했다면 관측된 것보다 훨씬 많은 감마선이 흡수됐어야 한다. 반대로 OP 313의 감마선이 일부 살아남았다는 사실은 우주에 존재할 수 있는 EBL의 세기에 상한선을 설정할 수 있게 한다.

파장 약 0.6마이크로미터(μm) 부근에서 얻은 상한은 다음과 같다.

• LST-1 자료 분석: λIλ < 8.74 nW m⁻² sr⁻¹
• 계통오차를 포함한 MAGIC 자료 분석: λIλ < 14.7 nW m⁻² sr⁻¹ 1

이는 EBL의 정확한 밀도를 직접 측정한 값이 아니다. 해당 감마선이 지구까지 오는 경로에 별과 은하의 희미한 가시광선·근적외선이 얼마나 많이 존재할 수 있는지를 제한하는 상한값이다. 14

LST-1의 첫 과학적 성과

이번 발견은 **체렌코프 망원경 배열 관측소(CTAO)**의 대형 망원경 시제품인 LST-1이 아직 시운전 단계에 있을 때 거둔 첫 과학적 성과였다. 낮은 에너지 문턱과 넓은 유효 면적 덕분에, EBL의 영향을 받아 약해진 먼 감마선원을 포착할 수 있었다. 46

라 팔마의 CTAO 북부 관측소에 설치된 LST-1은 지름 23m로, 대략 20GeV~3TeV 영역을 관측하도록 설계됐다. 4 시운전 중인 망원경이 OP 313을 검출한 것은 먼 우주에서 발생하는 일시적 폭발을 빠르게 찾아내고, VHE 영역의 낮은 에너지 끝을 분석할 수 있다는 성능을 실제로 보여준 사례다.

향후 라 팔마에 계획된 4대의 LST 배열이 완성되면 민감도와 스펙트럼 분석, 급격히 변하는 천체의 신속한 후속 관측 역량이 강화될 것으로 기대된다. 다만 현재 공개된 자료만으로는 OP 313과 같은 폭발에서 성능이 구체적으로 얼마나 향상될지는 정량화돼 있지 않다. 417