OP 313 satte avstandsrekord i svært energirike gammastråler

OP 313 er en såkalt flat-spectrum radio quasar (FSRQ) – en type blazar der en relativistisk jetstråle peker omtrent mot Jorden. Med en rødforskyvning på z = 0,997 ligger objektet rundt 8 milliarder lysår unna. Da forskere oppdaget svært energirike gammastråler (VHE, over 100 GeV) fra kilden, ble OP 313 den fjerneste blazaren – og aktive galaksekjernen – som er observert i dette energiområdet. 124

Det finnes likevel en viktig presisering: OP 313 er den fjerneste blazaren eller aktive galaksekjernen som er oppdaget i VHE-gammastråler. Det er ikke den fjerneste VHE-kilden av alle typer. Gammastråleutbruddet GRB 201216C ligger lenger unna. 238

Et kraftig utbrudd i desember 2023

Observasjonene startet etter at romteleskopet Fermi-LAT registrerte økt aktivitet fra OP 313. LST-1 begynte å følge kilden rundt 9.–10. desember 2023, og flere observatorier gjennomførte deretter koordinerte målinger på tvers av det elektromagnetiske spekteret. 12

Under det uvanlig kraftige utbruddet nådde VHE-strålingen en fluks på omtrent 0,3 Crab-enheter over 100 GeV. LST-1 registrerte for første gang VHE-utstråling fra OP 313, mens de to MAGIC-teleskopene uavhengig bekreftet oppdagelsen. Forskerne kombinerte data fra LST-1 og MAGIC med målinger ved lavere energier fra andre instrumenter, blant annet Fermi-LAT. 156

Aktiviteten var svakere i januar 2024. Utbruddet viste sammenfallende variasjoner i store deler av det observerte spekteret, mens radioutstrålingen holdt seg forholdsvis stabil. 1

Hvorfor signalet var vanskelig å oppdage

Gammastråler med energier over 100 GeV har problemer med å ta seg gjennom kosmiske avstander. På veien møter de det ekstragalaktiske bakgrunnslyset (EBL), det diffuse optiske og infrarøde lyset som er blitt sendt ut av stjerner og galakser gjennom universets historie. 147

Et gammastråle-foton med høy nok energi kan kollidere med et foton fra EBL og danne et elektron–positron-par:

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

Når dette skjer, forsvinner det opprinnelige gammastrålefotonet fra strålen som er på vei mot Jorden. At forskerne likevel kunne oppdage VHE-fotoner fra et objekt med rødforskyvning nær 1, viser at noe av strålingen klarte å krysse rundt 8 milliarder lysår til tross for den forventede absorpsjonen fra EBL. 124

Det er denne kombinasjonen av stor avstand og høy energi som gjør OP 313 til en rekordkilde blant VHE-blazarer og aktive galaksekjerner.

Hvordan gammastrålene ble dannet

Modelleringen av hele spekteret støtter et leptonisk scenario. I denne modellen beveger elektroner seg med relativistiske hastigheter i blazarens jetstråle. De sprer fotoner med lavere energi gjennom den inverse Compton-effekten, slik at fotonene blir omdannet til svært energirike gammastråler. 1

«Frøfotonene» kan stamme fra strålingsfelt i området med brede emisjonslinjer og fra en støvrik torus rundt det supermassive sorte hullet som mater den aktive galaksekjernen. Studien undersøker både en modell med to soner og et alternativ med én sone, der spredningen skjer lenger ute i strålingsfeltet fra den støvrike torusen. 1

Absorpsjonen fra EBL er en separat prosess. Bakgrunnslyset skapte ikke gammastrålene ved kilden, men påvirket dem etter at de hadde forlatt jetstrålen og begynt ferden gjennom det intergalaktiske rommet.

Et vindu mot universets bakgrunnslys

Dersom EBL var svært tett, ville en større andel av gammastrålene blitt absorbert før de nådde fram. At forskerne fortsatt kunne måle stråling fra OP 313, gjør det mulig å sette en øvre grense for intensiteten til EBL nær 0,6 mikrometer:

• λIλ < 8,74 nW m⁻² sr⁻¹ basert på analysen av LST-1-data;
• λIλ < 14,7 nW m⁻² sr⁻¹ basert på MAGIC-data, når systematiske usikkerheter er tatt med. 1

Dette er øvre grenser, ikke en direkte og presis måling av den nøyaktige EBL-tettheten. Resultatene viser hvor mye diffust optisk og nær-infrarødt lys universet kan inneholde langs strålen fra OP 313 uten å absorbere mer gammastråling enn det som faktisk ble observert. 14

En viktig test av LST-1

Oppdagelsen var det første vitenskapelige resultatet fra LST-1, prototypen på Large-Sized Telescope ved Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO). Teleskopet var fortsatt i innkjøringsfasen, eller commissioning, da observasjonen ble gjort. Den lave energiterskelen og den store effektive samleflaten var avgjørende for å kunne finne en så fjern kilde, hvis signal allerede var svekket av EBL. 46

LST-1 har et speil på 23 meter og står ved CTAO-anlegget på La Palma. Det er utviklet for å dekke omtrent energiområdet 20 GeV til 3 TeV. 4 Oppdagelsen under innkjøringen viser at teleskopet kan finne kortvarige og fjerne kilder i den lavere delen av VHE-området – nettopp der EBL gjør observasjonene spesielt krevende.

Den planlagte nordlige CTAO-stasjonen skal etter planen få en rekke på fire LST-teleskoper. Det vil kunne styrke følsomheten, spektrumanalysene og den raske oppfølgingen av lignende utbrudd. De tilgjengelige dataene tallfester imidlertid ikke hvor stor forbedringen vil bli for framtidige hendelser av samme type som OP 313. 417