Как OP 313 стал самым далёким блазаром, обнаруженным в гамма-лучах

OP 313 — это плоско-спектральный радиоквазар (FSRQ), то есть разновидность блазара: активного ядра галактики, чей релятивистский джет направлен примерно в сторону Земли. При красном смещении z = 0,997 объект находится примерно в 8 млрд световых лет от нас. Его обнаружение в гамма-лучах очень высоких энергий (VHE, свыше 100 ГэВ) сделало OP 313 самым далёким из известных блазаров и активных ядер галактик, наблюдавшихся в этом энергетическом диапазоне. 124

Есть важная оговорка: речь идёт именно о рекорде среди блазаров и AGN, а не среди всех источников VHE-излучения. Например, гамма-всплеск GRB 201216C находится дальше. 238

Вспышка, открывшая рекордный источник

Наблюдения начались после того, как космический телескоп Fermi-LAT зафиксировал повышенную активность OP 313. Телескоп LST-1 начал наблюдать объект примерно 9–10 декабря 2023 года, после чего к кампании присоединились обсерватории, работавшие в разных диапазонах электромагнитного спектра. 12

Во время исключительно яркой вспышки поток VHE-излучения достиг около 0,3 единицы Crab выше 100 ГэВ. LST-1 впервые зарегистрировал гамма-излучение очень высоких энергий от OP 313, а два телескопа MAGIC независимо подтвердили обнаружение. Исследователи объединили данные LST-1 и MAGIC с наблюдениями в более низкоэнергетических диапазонах, включая измерения Fermi-LAT. 156

В январе 2024 года активность источника уже была слабее. Вспышка проявлялась согласованно в значительной части наблюдаемого спектра, тогда как радиоизлучение оставалось сравнительно стабильным. 1

Почему обнаружить гамма-лучи было настолько сложно

Фотоны с энергией выше 100 ГэВ плохо проходят космологические расстояния. По пути они сталкиваются с внегалактическим фоновым светом (EBL) — рассеянным оптическим и инфракрасным излучением, накопившимся за всю историю звёзд и галактик во Вселенной. 147

При столкновении достаточно энергичного гамма-фотона с фотоном EBL может образоваться пара частица–античастица:

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

В результате исходный гамма-фотон исчезает из потока, который мог бы достичь Земли. Поэтому регистрация фотонов с энергией свыше 100 ГэВ от объекта с красным смещением около единицы означает, что часть излучения смогла пройти примерно 8 млрд световых лет, несмотря на ожидаемое поглощение EBL. Именно это делает OP 313 рекордно далёким VHE-блазаром. 124

Откуда взялось излучение OP 313

Моделирование полного спектра лучше всего согласуется с лептонным сценарием. Согласно этой картине, релятивистские электроны внутри джета блазара рассеивают фотоны с меньшей энергией посредством обратного эффекта Комптона, превращая их в гамма-фотоны высокой энергии. 1

В качестве исходных, или «затравочных», фотонов могли выступать поля излучения в области широких эмиссионных линий и в пылевом торе вокруг сверхмассивной чёрной дыры, питающей активное ядро галактики. Исследование рассматривает двухзонную модель, а также альтернативный однозонный вариант, в котором рассеяние происходит дальше от центра — в области пылевого тора. 1

Поглощение EBL — это отдельный этап. Внегалактический фоновый свет не создавал гамма-лучи в самом блазаре: он ослаблял их уже после выхода из джета, во время движения через межгалактическое пространство.

Что наблюдение говорит о космическом фоновом свете

Если бы EBL был слишком плотным, он поглотил бы больше гамма-фотонов, чем наблюдали телескопы. Поэтому сохранившееся излучение OP 313 позволило установить верхний предел интенсивности EBL вблизи длины волны 0,6 мкм:

• λIλ < 8,74 нВт м⁻² ср⁻¹ по анализу данных LST-1;
• λIλ < 14,7 нВт м⁻² ср⁻¹ по данным MAGIC с учётом систематических неопределённостей. 1

Это именно верхние ограничения, а не прямое и точное измерение плотности EBL. Они показывают, сколько рассеянного оптического и ближнего инфракрасного света может находиться вдоль такого космического маршрута, не поглощая наблюдаемое излучение. 14

Проверка возможностей LST-1

Открытие стало первым научным результатом LST-1 — прототипа крупного телескопа Large-Sized Telescope, входящего в проект обсерватории Cherenkov Telescope Array (CTAO). На момент наблюдений телескоп ещё проходил ввод в эксплуатацию. Низкий энергетический порог и большая эффективная площадь оказались особенно важны для обнаружения далёкого источника, чьё излучение ослаблялось EBL. 46

LST-1 — телескоп диаметром 23 метра на площадке CTAO в Ла-Пальме. Он рассчитан на работу примерно в диапазоне от 20 ГэВ до 3 ТэВ. 4 Регистрация OP 313 ещё на этапе commissioning стала практической демонстрацией того, что инструмент способен быстро находить далёкие и переменные источники на нижней границе диапазона VHE.

В перспективе северная площадка CTAO в Ла-Пальме должна получить конфигурацию из четырёх телескопов LST. Она расширит возможности по чувствительности, изучению спектров и оперативному наблюдению кратковременных вспышек. Однако имеющиеся данные не позволяют количественно оценить, насколько именно улучшится обнаружение событий, подобных вспышке OP 313. 417