OP 313 jadi blazar paling jauh yang dikesan dalam sinar gama tenaga sangat tinggi

OP 313 ialah kuasar radio spektrum rata (flat-spectrum radio quasar, FSRQ), iaitu sejenis blazar dengan jet zarah yang bergerak hampir pada kelajuan cahaya dan menghala ke arah Bumi. Dengan anjakan merah z = 0.997, objek ini berada kira-kira 8 bilion tahun cahaya dari kita.

Pengesanan sinar gama tenaga sangat tinggi (VHE), iaitu sinar gama dengan tenaga melebihi 100 GeV, menjadikan OP 313 blazar—dan nukleus galaksi aktif—paling jauh yang pernah dikesan dalam julat tenaga ini. 124

Namun, terdapat satu nuansa penting: OP 313 ialah sumber blazar atau AGN VHE paling jauh, bukannya sumber VHE paling jauh daripada semua jenis. Letusan sinar gama GRB 201216C, misalnya, berada pada jarak yang lebih jauh. 238

Letusan terang pada Disember 2023

Pemerhatian bermula selepas teleskop angkasa Fermi-LAT mengesan peningkatan aktiviti daripada OP 313. LST-1 mula memerhati objek itu sekitar 9 hingga 10 Disember 2023, sebelum pemerhatian susulan dilakukan merentasi pelbagai panjang gelombang. 12

Dalam letusan yang amat terang itu, fluks sinar gama VHE mencecah kira-kira 0.3 unit Crab pada tenaga melebihi 100 GeV. LST-1 kemudian membuat pengesanan pertama pancaran VHE daripada OP 313, manakala dua teleskop Cherenkov MAGIC mengesahkan penemuan tersebut secara bebas.

Analisis akhir menggabungkan data LST-1 dan MAGIC dengan pemerhatian pada tenaga lebih rendah daripada kemudahan lain, termasuk Fermi-LAT. 156

Aktiviti OP 313 lebih rendah pada Januari 2024. Letusan itu menunjukkan kaitan antara perubahan kecerahan dalam sebahagian besar spektrum elektromagnet yang diperhatikan, sementara pancaran radio kekal agak stabil. 1

Mengapa pengesanan ini sukar?

Sinar gama dengan tenaga melebihi 100 GeV sukar merentasi jarak kosmologi. Sepanjang perjalanannya, sinar tersebut berinteraksi dengan cahaya latar ekstragalaksi (extragalactic background light, EBL)—cahaya optik dan inframerah yang terkumpul daripada bintang serta galaksi sepanjang sejarah alam semesta. 147

Foton gama yang cukup bertenaga boleh bertembung dengan foton EBL lalu menghasilkan pasangan elektron–positron:

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

Proses ini mengeluarkan foton gama asal daripada aliran yang bergerak ke arah Bumi. Oleh itu, pengesanan foton VHE daripada objek pada anjakan merah hampir 1 menunjukkan bahawa sebahagian pancaran OP 313 berjaya merentasi kira-kira 8 bilion tahun cahaya walaupun dijangka diserap oleh EBL. 124

Keupayaan mengesan foton yang masih terselamat inilah yang menjadikan OP 313 rekod jarak baharu bagi blazar dalam julat tenaga sangat tinggi.

Bagaimana sinar gama itu dihasilkan?

Pemodelan keseluruhan spektrum menyokong senario leptonik. Dalam senario ini, elektron yang bergerak secara relativistik di dalam jet blazar menyerakkan foton ber tenaga lebih rendah melalui proses Compton songsang, lalu menaikkan tenaga foton tersebut sehingga menjadi sinar gama ber tenaga tinggi. 1

Foton “benih” yang terlibat adalah konsisten dengan medan sinaran di kawasan garis pelebaran luas serta torus berdebu yang mengelilingi lubang hitam supermasif yang sedang mengumpul jirim di pusat galaksi aktif itu.

Kajian tersebut turut menguji model dua zon dan satu alternatif model satu zon. Dalam model alternatif itu, proses penyerakan berlaku lebih jauh dari lubang hitam, di kawasan medan sinaran torus berdebu. 1

Penyerapan oleh EBL berlaku pada peringkat yang berbeza. EBL tidak menghasilkan sinar gama di dalam sumber; sebaliknya, ia mengurangkan pancaran tersebut selepas sinar gama meninggalkan jet dan bergerak melalui ruang antara galaksi.

Petunjuk tentang cahaya latar kosmos

Jika EBL terlalu padat, lebih banyak sinar gama daripada OP 313 akan diserap sebelum sampai ke Bumi. Oleh sebab sebahagian pancaran masih dapat dikesan, penyelidik boleh menetapkan had atas kepada keamatan EBL berhampiran 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, termasuk ketidakpastian sistematik. 1

Nilai ini bukan ukuran tepat dan langsung bagi ketumpatan EBL. Sebaliknya, ia ialah had maksimum yang menunjukkan berapa banyak cahaya optik dan inframerah dekat yang boleh wujud di sepanjang laluan sinar gama tanpa memadamkan pancaran yang diperhatikan. 14

Kejayaan penting untuk LST-1 dan CTAO

Penemuan ini merupakan hasil saintifik sulung LST-1, prototaip Teleskop Saiz Besar (Large-Sized Telescope) milik Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), ketika teleskop itu masih dalam fasa pentauliahan (commissioning). Ambang tenaga yang rendah serta luas permukaan berkesannya yang besar sangat penting untuk mengesan sumber jauh yang pancarannya telah dilemahkan oleh EBL. 46

LST-1 ialah teleskop berdiameter 23 meter di tapak CTAO di La Palma, Sepanyol, dan direka untuk meliputi kira-kira julat tenaga 20 GeV hingga 3 TeV. 4

Pengesanan OP 313 ketika LST-1 masih dalam fasa pentauliahan menunjukkan bahawa teleskop itu sudah mampu mencari sumber sinar gama yang jauh dan berubah-ubah, khususnya pada hujung tenaga rendah julat VHE.

Susunan empat teleskop LST yang dirancang untuk tapak utara CTAO di La Palma dijangka meningkatkan keupayaan pemerhatian dari segi kepekaan, kajian spektrum dan tindak balas pantas terhadap letusan sementara. Bagaimanapun, bukti yang tersedia tidak memberikan angka khusus tentang sejauh mana peningkatan itu untuk letusan yang menyerupai OP 313. 417