LST-1 en MAGIC detecteren gammastraling van recordverre blazar

Een signaal uit een ver verleden

OP 313 is een flat-spectrum radioquasar: een actief sterrenstelsel met een superzwaar zwart gat in het centrum en een relativistische plasmajet die bijna op de aarde is gericht. De quasar staat op roodverschuiving z = 0,997. Dat betekent dat zijn licht werd uitgezonden toen het heelal veel jonger was dan nu.

Tijdens een uitbarsting in december 2023 detecteerden de Large-Sized Telescope-prototype LST-1 en de twee MAGIC-telescopen zeer energierijke gammastraling (VHE, van very-high-energy) boven 100 GeV. Het gemeten signaal bedroeg ongeveer 0,3 Crab-eenheid boven 100 GeV, ondanks de afstand van circa acht miljard lichtjaar. Daarmee werd OP 313 de verst waargenomen blazar in dit energiegebied. 3

De afstand is een record voor een VHE-blazar of actieve galactische kern, niet noodzakelijk voor ieder type kortstondige VHE-bron. De fotonen vertrokken uit een tijdperk na de zogenoemde kosmische middag — de periode waarin de stervorming in het heelal haar hoogtepunt bereikte — en reisden vervolgens ongeveer acht miljard jaar naar de aarde. 31

Hoe de telescopen de gammastraling zagen

De waarnemingen begonnen nadat de Fermi-LAT-ruimtetelescoop een verhoogde activiteit van OP 313 had gemeld. Dankzij de lage energiedrempel en het grote verzameloppervlak kon LST-1 het zwakke, laagenergetische uiteinde van de VHE-straling detecteren. De MAGIC-telescopen bevestigden het signaal en breidden de meting uit. 73

Deze telescopen registreren gammastraling niet rechtstreeks met een spiegel zoals een gewone optische telescoop. Wanneer een hoogenergetisch gammadeeltje de aardatmosfeer binnenkomt, veroorzaakt het een korte lawine van deeltjes. Die produceert een zwakke Cherenkov-flits, die de telescopen vanaf de grond kunnen opvangen. Uit zulke flitsen leiden onderzoekers de energie en richting van het oorspronkelijke gammafoton af.

Het heelal als filter

Tijdens zijn lange reis kwam de gammastraling in aanraking met het extragalactische achtergrondlicht, of EBL. Dat is het diffuse licht dat in de loop van de kosmische geschiedenis door sterren en sterrenstelsels is geproduceerd, van infrarood- tot optische golflengten.

Een zeer energierijk gammafoton kan met een EBL-foton botsen en daarbij een elektron-positronpaar vormen. Het gammafoton verdwijnt dan uit de oorspronkelijke bundel. Hoe verder de bron en hoe hoger de energie, hoe sterker dit verzwakkende effect doorgaans wordt. De vorm van het overgebleven spectrum bevat daardoor informatie over de hoeveelheid licht die zich tussen OP 313 en de aarde bevindt.

Door het oorspronkelijke spectrum gezamenlijk te modelleren met gegevens van Fermi, LST-1 en MAGIC konden de onderzoekers strenge bovengrenzen stellen aan de totale EBL-dichtheid. De analyse met LST-1 leverde bijvoorbeeld een bovengrens op van λIλ < 8,74 nW m⁻² sr⁻¹ bij een golflengte van 0,6 μm. 3

Waar komt de uitbarsting vandaan?

De gegevens over meerdere golflengten passen bij een model waarin elektronen in de jet met bijna de lichtsnelheid bewegen. Deze relativistische elektronen verstrooien fotonen met lagere energie — het inverse-Comptoneffect — en tillen ze op naar het gammastralingsgebied. Omdat de jet bijna naar ons toe wijst, versterkt relativistische bundeling de waargenomen helderheid sterk. 3

Belang voor CTAO

De detectie was de eerste wetenschappelijke ontdekking van LST-1 terwijl de telescoop nog in de fase van inbedrijfstelling zat. Het resultaat laat zien dat het prototype gevoelig genoeg is voor het lage VHE-energiegebied, juist waar de straling van verre bronnen door het EBL sterk wordt verzwakt.

De geplande vier-telescopen-subarray van CTAO-North op La Palma wordt op 15 oktober ingehuldigd en moet gevoelig worden tot ongeveer 20 GeV. Daardoor kunnen onderzoekers in de toekomst mogelijk nog verder weg gelegen bronnen van gammastraling bestuderen. 1245