OP 313 pobił rekord odległości w obserwacjach promieni gamma

OP 313 to kwazar radiowy o płaskim widmie (FSRQ), czyli szczególny rodzaj blazara. W jego przypadku relatywistyczna wiązka cząstek z aktywnego jądra galaktyki jest skierowana niemal w stronę Ziemi. Przy przesunięciu ku czerwieni z = 0,997 obiekt znajduje się około 8 miliardów lat świetlnych od nas.

Wykrycie pochodzących z niego promieni gamma o bardzo wysokiej energii (VHE, powyżej 100 GeV) uczyniło OP 313 najdalszym zaobserwowanym blazarem — a zarazem aktywnym jądrem galaktyki — emitującym promieniowanie w tym zakresie energii. 124

Warto jednak doprecyzować ten rekord: OP 313 jest najdalszym blazarem i AGN wykrytym w zakresie VHE, ale nie najdalszym źródłem promieni gamma o bardzo wysokiej energii dowolnego typu. Dalej znajduje się między innymi rozbłysk gamma GRB 201216C. 238

Rozbłysk, który uruchomił obserwacje

Wzrost aktywności OP 313 zauważył kosmiczny teleskop Fermi-LAT. Na podstawie tego alertu teleskop LST-1 rozpoczął obserwacje około 9–10 grudnia 2023 roku. Później dołączyły do nich inne instrumenty, dzięki czemu astronomowie mogli przeanalizować źródło w wielu zakresach widma elektromagnetycznego. 12

Podczas wyjątkowo jasnego rozbłysku strumień promieniowania VHE osiągnął około 0,3 jednostki Crab powyżej 100 GeV. LST-1 po raz pierwszy wykrył promieniowanie VHE z OP 313, a dwa teleskopy MAGIC niezależnie potwierdziły tę detekcję. Analiza połączyła dane z LST-1 i MAGIC z obserwacjami o niższych energiach, w tym z pomiarami Fermi-LAT. 156

W styczniu 2024 roku aktywność źródła była już niższa. Rozbłysk wykazywał korelację w dużej części obserwowanych zakresów widma, podczas gdy emisja radiowa pozostawała stosunkowo stabilna. 1

Dlaczego wykrycie tak odległego źródła było trudne

Promienie gamma o energii przekraczającej 100 GeV nie pokonują łatwo kosmologicznych odległości. Po drodze przechodzą przez pozagalaktyczne światło tła (EBL) — rozproszone promieniowanie optyczne i podczerwone powstałe w wyniku emisji gwiazd oraz galaktyk w całej historii Wszechświata. 147

Foton gamma o odpowiednio wysokiej energii może zderzyć się z fotonem EBL i wytworzyć parę elektron–pozyton:

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

W takiej reakcji pierwotny foton gamma znika z wiązki docierającej do Ziemi. Dlatego wykrycie fotonów VHE ze źródła o przesunięciu ku czerwieni bliskim 1 oznacza, że część jego emisji zdołała przebyć około 8 miliardów lat świetlnych mimo przewidywanego pochłaniania przez EBL. 124

Skąd wzięły się promienie gamma OP 313

Modelowanie pełnego widma promieniowania wskazuje przede wszystkim na scenariusz leptonowy. Zgodnie z nim elektrony poruszające się relatywistycznie w dżecie blazara rozpraszają fotony o niższej energii w procesie odwrotnego rozpraszania Comptona. Fotony te zyskują wówczas bardzo wysokie energie i stają się promieniami gamma. 1

Jako źródła „zalążkowych” fotonów rozważane są pola promieniowania związane z obszarem szerokich linii emisyjnych oraz zapylony torus otaczający supermasywną czarną dziurę, która zasila aktywne jądro galaktyki. W badaniu analizowano zarówno model z dwiema strefami emisji, jak i alternatywny model jednostrefowy, w którym rozpraszanie zachodzi dalej od czarnej dziury — w polu promieniowania zapylonego torusa. 1

Pochłanianie przez EBL to odrębny etap. Nie odpowiadało ono za powstanie promieni gamma w źródle, lecz wpływało na ich propagację po opuszczeniu dżetu i rozpoczęciu podróży przez przestrzeń międzygalaktyczną.

Co obserwacja mówi o świetle tła Wszechświata

Gdyby EBL było wyjątkowo gęste, pochłonęłoby więcej promieni gamma, niż faktycznie zaobserwowano. Przetrwanie emisji OP 313 pozwoliło więc wyznaczyć górne ograniczenie jej intensywności w pobliżu długości fali 0,6 μm:

• λIλ < 8,74 nW m⁻² sr⁻¹ na podstawie analizy danych LST-1;
• λIλ < 14,7 nW m⁻² sr⁻¹ na podstawie danych MAGIC, z uwzględnieniem niepewności systematycznych. 1

Są to górne granice, a nie bezpośredni, precyzyjny pomiar dokładnej gęstości EBL. Wyniki określają, ile rozproszonego światła optycznego i bliskiej podczerwieni może znajdować się wzdłuż takiej trasy, aby nie doprowadzić do całkowitego zniknięcia obserwowanej emisji. 14

Pierwszy ważny wynik LST-1

Detekcja OP 313 była pierwszym wynikiem naukowym teleskopu LST-1, prototypu Large-Sized Telescope należącego do obserwatorium Cherenkov Telescope Array (CTAO). Instrument wciąż znajdował się wtedy w fazie uruchamiania i testów, czyli tzw. commissioning.

Niski próg energetyczny oraz duża efektywna powierzchnia LST-1 okazały się kluczowe przy wykrywaniu tak odległego źródła, którego promieniowanie zostało osłabione przez EBL. 46 Teleskop ma średnicę 23 metrów i znajduje się w północnej lokalizacji CTAO na La Palmie. Zaprojektowano go do obserwacji mniej więcej w zakresie od 20 GeV do 3 TeV. 4

Sukces OP 313 pokazuje, że LST-1 może reagować na przejściowe rozbłyski oraz odległe źródła położone przy dolnej granicy zakresu VHE. Planowana północna instalacja złożona z czterech teleskopów LST powinna zwiększyć możliwości obserwatorium w zakresie czułości, badań widmowych i szybkiego śledzenia takich zjawisk. Dostępne dane nie pozwalają jednak określić konkretnej skali poprawy dla przyszłych rozbłysków podobnych do OP 313. 417