OP 313 pobił kosmiczny rekord. Promienie gamma leciały do nas 8 miliardów lat

Kosmiczny rekord OP 313

Obserwacje wykonane przez współprace CTAO LST i MAGIC ustanowiły OP 313 — kwazara radiowego o płaskim widmie, znajdującego się przy przesunięciu ku czerwieni z = 0,997 — najdalszym blazarem kiedykolwiek wykrytym w promieniowaniu gamma o bardzo wysokiej energii (VHE, czyli powyżej 100 GeV). Wyniki opublikowane w czasopiśmie Astronomy & Astrophysics pokazują, że podczas rozbłysku w grudniu 2023 roku LST-1 i dwa teleskopy MAGIC zarejestrowały emisję na poziomie około 0,3 jednostki Crab powyżej 100 GeV, mimo że źródło znajduje się mniej więcej 8 miliardów lat świetlnych od Ziemi. 3

Jak udało się wykryć tak słaby sygnał?

LST-1, prototypowy teleskop wielkoformatowy obserwatorium CTAO, rozpoczął obserwacje OP 313 po alarmie satelity Fermi-LAT informującym o zwiększonej aktywności źródła. Jego duża powierzchnia zbierająca światło i niski próg energetyczny umożliwiły wykrycie promieniowania, które w przypadku tak odległego obiektu jest silnie osłabiane podczas podróży. Pomiary wykonane przez dwa teleskopy MAGIC niezależnie potwierdziły emisję i poszerzyły zakres obserwacji. 73

LST-1 i MAGIC nie rejestrują promieni gamma bezpośrednio jak teleskopy optyczne. Gdy wysokoenergetyczny foton wpada w ziemską atmosferę, wywołuje krótką kaskadę cząstek. Te z kolei generują słaby błysk promieniowania Czerenkowa, który można uchwycić naziemnymi teleskopami.

Wiadomość sprzed 8 miliardów lat

Przesunięcie ku czerwieni OP 313 oznacza, że wykryte fotony zostały wyemitowane, gdy Wszechświat był znacznie młodszy. Ich podróż do Ziemi trwała około 8 miliardów lat i rozpoczęła się w epoce następującej po maksimum kosmicznego tempa powstawania gwiazd, często nazywanym „kosmicznym południem”. 31

Tytuł rekordzisty dotyczy konkretnie blazara lub aktywnego jądra galaktyki obserwowanego w zakresie VHE. Nie oznacza on, że OP 313 jest najdalszym obiektem każdego rodzaju wykrytym w tym zakresie energii.

Promienie gamma jako sonda kosmicznego światła

Podczas wędrówki do Ziemi wysokoenergetyczne promienie gamma napotykały fotony optycznego i podczerwonego pozagalaktycznego światła tła (EBL). Jest to nagromadzone promieniowanie pochodzące od gwiazd i galaktyk powstających w historii Wszechświata.

W zderzeniach fotonów gamma z fotonami EBL mogą powstawać pary elektron–pozyton. Część promieni gamma znika wówczas z wiązki docierającej do Ziemi, a widmo źródła zostaje osłabione w sposób zależny od energii. Porównanie obserwowanego widma z modelem emisji pierwotnej umożliwiło wyznaczenie górnych ograniczeń na całkowitą gęstość EBL. Dla dopasowania opartego na danych LST-1 uzyskano między innymi wartość λIλ < 8,74 nW m⁻² sr⁻¹ przy długości fali 0,6 μm. 3

Co napędza rozbłysk?

Analiza danych z wielu zakresów widma jest zgodna ze scenariuszem, w którym silnie relatywistyczne elektrony w dżecie OP 313 rozpraszają odwrotnie Comptona fotony o niższej energii. W tym procesie fotony zostają „podkręcone” do zakresu gamma.

Dżet jest skierowany niemal w stronę Ziemi. Relatywistyczne wiązkowanie sprawia więc, że obserwowana emisja wydaje się wyjątkowo jasna, mimo ogromnej odległości źródła. 3

Pierwszy wielki sukces LST-1

Wykrycie OP 313 było pierwszym odkryciem naukowym LST-1, gdy teleskop nadal znajdował się w fazie uruchamiania i testów. Rezultat pokazał, że prototyp potrafi badać dolny zakres energii VHE — kluczowy w przypadku odległych źródeł, których promieniowanie jest mocno pochłaniane przez EBL.

Kolejnym krokiem ma być północny podzespół CTAO na La Palmie, obejmujący cztery teleskopy LST. Jego inaugurację zaplanowano na 15 października 2026 roku, a konstrukcja ma umożliwić obserwacje energii sięgających około 20 GeV. To powinno zwiększyć czułość na jeszcze dalsze źródła promieniowania gamma. 1245