OP 313 is de verste blazar ooit gezien in zeer energierijke gammastraling

OP 313 is een flat-spectrum radioquasar (FSRQ): een type actieve galactische kern met een relativistische straalstroom die grotendeels op de aarde is gericht. Met een roodverschuiving van z = 0,997 bevindt de bron zich op ongeveer 8 miljard lichtjaar afstand. De detectie van gammastraling met zeer hoge energie — VHE, oftewel energieën boven 100 GeV — maakte OP 313 de verste blazar en actieve galactische kern die ooit in dit energiegebied is waargenomen. 124

Daarbij hoort een belangrijke nuance. OP 313 is niet de verste VHE-bron van welk type dan ook: de gammastraaluitbarsting GRB 201216C staat verder weg. Het afstandsrecord van OP 313 geldt specifiek voor blazars en actieve galactische kernen. 238

De uitbarsting die de ontdekking mogelijk maakte

De waarnemingen begonnen nadat de ruimtesatelliet Fermi-LAT een verhoogde activiteit van OP 313 had geregistreerd. LST-1 richtte zich rond 9 en 10 december 2023 op de bron. Daarna volgde een gecoördineerde campagne op meerdere golflengten. 12

Tijdens de uitzonderlijk heldere uitbarsting bereikte de VHE-stroom ongeveer 0,3 Crab Units boven 100 GeV. De Large-Sized Telescope 1 (LST-1) detecteerde voor het eerst VHE-gammastraling van OP 313. De twee MAGIC-telescopen bevestigden de waarneming onafhankelijk. Voor de analyse werden de gegevens van LST-1 en MAGIC gecombineerd met metingen bij lagere energieën van andere instrumenten, waaronder Fermi-LAT. 156

In januari 2024 was de activiteit alweer lager. De uitbarsting vertoonde correlaties over een groot deel van het gemeten elektromagnetische spectrum, terwijl de radiostraling relatief stabiel bleef. 1

Waarom gammastraling van zo ver weg moeilijk te zien is

Gammastraling boven 100 GeV legt geen eenvoudige reis af over kosmologische afstanden. Onderweg kan ze botsen met het extragalactische achtergrondlicht — het diffuse optische en infrarode licht dat afkomstig is van sterren en sterrenstelsels gedurende de geschiedenis van het heelal. 147

Bij zo’n botsing kan een hoogenergetisch foton verdwijnen en een elektron-positronpaar vormen:

γ + γ → e⁺ + e⁻

Het oorspronkelijke gammastraalfoton maakt dan geen deel meer uit van de bundel die de aarde bereikt. Dat er toch VHE-fotonen van OP 313 zijn gedetecteerd na een reis van ongeveer 8 miljard lichtjaar, is daarom uitzonderlijk. De waarneming laat zien dat een deel van de straling de verwachte absorptie door het achtergrondlicht heeft overleefd. 124

Waar kwamen de gammastralen vandaan?

De modellering van het volledige spectrum wijst vooral op een leptonisch scenario. Daarin bewegen elektronen met relativistische snelheden door de straalstroom van de blazar. Ze verstrooien fotonen met lagere energie via het inverse Compton-effect, waardoor die fotonen worden opgevoerd tot gammastraling met zeer hoge energie. 1

De benodigde ‘zaadfotonen’ passen bij stralingsvelden in het gebied van de brede emissielijnen en bij een stofrijke torus rond het superzware zwarte gat dat de actieve galactische kern aandrijft. De onderzoekers bekeken zowel een model met twee zones als een alternatief model met één zone, waarin de verstrooiing verder van het zwarte gat plaatsvindt, in het stralingsveld van de stoffige torus. 1

De absorptie door het extragalactische achtergrondlicht is een afzonderlijke stap. Dat licht produceerde de gammastraling dus niet; het verzwakte haar pas nadat de fotonen de straalstroom hadden verlaten en door de intergalactische ruimte reisden.

Wat de meting zegt over het kosmische achtergrondlicht

Als het extragalactische achtergrondlicht extreem dicht zou zijn, zouden meer gammastralen onderweg zijn geabsorbeerd dan de telescopen daadwerkelijk hebben gemeten. De overgebleven straling van OP 313 maakt het daarom mogelijk om een bovengrens te stellen aan de intensiteit van dit licht rond 0,6 micrometer:

• λIλ < 8,74 nW m⁻² sr⁻¹ op basis van de LST-1-analyse;
• λIλ < 14,7 nW m⁻² sr⁻¹ op basis van de MAGIC-gegevens, inclusief systematische onzekerheden. 1

Dit zijn bovengrenzen, geen directe, uiterst precieze metingen van de exacte dichtheid van het achtergrondlicht. Ze geven aan hoeveel diffuus optisch en nabij-infrarood licht het heelal langs de route van de straling maximaal kan bevatten zonder de waargenomen gammastraling weg te nemen. 14

Een belangrijke test voor LST-1

De ontdekking was het eerste wetenschappelijke resultaat van LST-1, het prototype van de Large-Sized Telescopes van het Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO). Het instrument bevond zich op dat moment nog in de commissioningfase, oftewel de fase waarin de prestaties en systemen worden getest en afgesteld. 46

LST-1 heeft een spiegel van 23 meter en staat op La Palma. Het telescooptype is ontworpen voor een gevoeligheid van ongeveer 20 GeV tot 3 TeV. Juist de lage energiedrempel en het grote effectieve oppervlak waren belangrijk om een zo ver weg gelegen bron te detecteren, waarvan de straling onderweg door het achtergrondlicht was verzwakt. 4

De geplande noordelijke CTAO-opstelling met vier LST’s moet de mogelijkheden voor gevoeligheidsmetingen, spectrale analyse en snelle opvolging van tijdelijke uitbarstingen verder versterken. De beschikbare gegevens geven echter geen concrete, gekwantificeerde verbetering voor toekomstige uitbarstingen die precies op die van OP 313 lijken. 417