Et blazarutbrudd fra åtte milliarder lysår avslører universets bakgrunnslys

En rekord fra universets ungdom

Observasjonene fra CTAO LST Collaboration og MAGIC Collaboration etablerer OP 313 som den fjerneste blazaren som hittil er oppdaget i gammastråler med svært høy energi – såkalt VHE-stråling, med energier over 100 GeV. Kilden har en rødforskyvning på z = 0,997, noe som tilsvarer en reise på rundt åtte milliarder år for lyset som nådde teleskopene på La Palma. 3

OP 313 er en flat-spectrum radio quasar – en type aktiv galaktisk kjerne der et supermassivt sort hull driver en kraftig jetstråle nesten rett mot Jorden. Det er denne geometrien, sammen med relativistisk beaming, som får strålingen til å fremstå uvanlig lyssterk.

Slik ble gammastrålene fanget opp

I desember 2023 fulgte LST-1 et varsel fra romteleskopet Fermi-LAT om økt aktivitet fra OP 313. LST-1s store speilareal og lave energiterskel gjorde det mulig å lete etter den svake VHE-signaturen fra den svært fjerne kilden. De to MAGIC-teleskopene gjorde uavhengige observasjoner som støttet og utvidet målingen. 73

LST-1 og MAGIC registrerer ikke gammastråler som et vanlig kamera. Når en energirik gammastråle treffer jordatmosfæren, skaper den en kortvarig kaskade av partikler. Disse partiklene produserer et svakt blålig Cherenkov-lys, som teleskopene fanger opp og bruker til å rekonstruere den opprinnelige gammastrålen.

Under utbruddet målte teleskopene VHE-utslipp på omtrent 0,3 Crab-enheter over 100 GeV. Crab-enheten er en astronomisk standard for å sammenligne gammastråleflukser, basert på strålingen fra Krabbetåken. 3

Et lys som har krysset åtte milliarder lysår

Gammastrålene ble sendt ut da universet var langt yngre enn i dag, i en epoke etter høydepunktet for den kosmiske stjernedannelsen – ofte kalt «kosmisk middag». På den lange reisen mot Jorden ble strålingen gradvis svekket av lys som allerede fantes mellom galaksene. 31

Dette lyset kalles det ekstragalaktiske bakgrunnslyset, eller EBL. Det består av den samlede strålingen fra stjerner og galakser gjennom universets historie, særlig i de optiske og infrarøde delene av spekteret.

Når en VHE-gammastråle møter et EBL-foton med passende energi, kan de danne et elektron–positron-par. Prosessen fjerner deler av gammastrålesignalet fra strålen mot Jorden og gir et energ avhengig avtrykk i spekteret. Hvor mye signalet er dempet, forteller derfor forskerne noe om mengden bakgrunnslys langs veien.

Ved å modellere det opprinnelige spekteret sammen med data fra Fermi, LST-1 og MAGIC kunne forskerne sette strenge øvre grenser for EBL-tettheten. LST-1-dataene ga blant annet grensen λIλ < 8,74 nW m⁻² sr⁻¹ ved 0,6 μm. MAGIC-dataene ga en tilsvarende grense på λIλ < 14,7 nW m⁻² sr⁻¹, inkludert systematiske usikkerheter. 3

Hva skapte utbruddet?

Observasjonene på tvers av flere bølgelengder passer med en modell der elektroner i OP 313s jet beveger seg med hastigheter nær lysets. Elektronene sprer fotoner med lavere energi gjennom såkalt invers Compton-spredning, slik at fotonene løftes opp i gammastråleområdet. Fordi jetstrålen peker nesten mot oss, forsterker relativistiske effekter den observerte lysstyrken kraftig. 3

En viktig test av LST-1

Funnet var den første vitenskapelige oppdagelsen gjort med LST-1 mens prototypen fortsatt var under innkjøring. Det viser at teleskopet kan arbeide i det lave VHE-området, som er avgjørende når man skal oppdage fjerne kilder der høyenergetisk stråling allerede er kraftig svekket av EBL. 1245

På La Palma planlegges et nordlig CTAO-anlegg med fire store LST-teleskoper. Det skal innvies 15. oktober og er utformet for å kunne nå energier ned mot omtrent 20 GeV. Den lavere energiterskelen kan gjøre det mulig å studere enda fjernere gammastrålekilder. 1245

Avstandsrekorden gjelder spesifikt for en VHE-blazar eller aktiv galaktisk kjerne. Den betyr ikke nødvendigvis at OP 313 er den fjerneste kilden av alle typer som noen gang er observert i dette energiområdet. 31