OP 313 satte avståndsrekord för mycket energirika gammastrålar

OP 313 är en så kallad flat-spectrum radio quasar (FSRQ), en typ av blazar där en relativistisk jet från den aktiva galaxkärnan är riktad nästan rakt mot jorden. Med en rödförskjutning på z = 0,997 befinner sig objektet ungefär 8 miljarder ljusår bort. När teleskop upptäckte gammastrålning med mycket hög energi, VHE – över 100 GeV – blev OP 313 den mest avlägsna blazar och aktiva galaxkärna som någonsin observerats i detta energiområde. 124

Det finns dock en viktig avgränsning: OP 313 är den mest avlägsna blazar- eller AGN-källan som upptäckts i VHE-gammastrålning. Den mer avlägsna gammastrålningsblixten GRB 201216C är fortfarande den mest avlägsna VHE-källan oavsett objekttyp. 238

Ett ovanligt utbrott i december 2023

Observationerna inleddes efter att rymdteleskopet Fermi-LAT registrerat ökad aktivitet från OP 313. LST-1 började följa objektet omkring den 9–10 december 2023, och därefter genomfördes samordnade observationer i flera våglängdsområden. 12

Under det exceptionellt ljusstarka utbrottet nådde VHE-flödet omkring 0,3 Crab-enheter över 100 GeV. LST-1 gjorde den första VHE-detekteringen av OP 313, medan de två MAGIC-teleskopen oberoende bekräftade signalen. Forskarna kombinerade sedan data från LST-1 och MAGIC med observationer vid lägre energier från andra anläggningar, bland annat Fermi-LAT. 156

Aktiviteten var lägre i januari 2024. Utbrottet uppvisade samband över stora delar av det observerade elektromagnetiska spektrumet, medan radiostrålningen förblev jämförelsevis stabil. 1

Varför signalen var svår att upptäcka

Gammastrålar över 100 GeV färdas inte obehindrat genom kosmologiska avstånd. På vägen möter de det extragalaktiska bakgrundsljuset (EBL) – det diffusa optiska och infraröda ljus som har producerats av stjärnor och galaxer under universums historia. 147

En tillräckligt energirik gammastråle kan kollidera med en foton i EBL och skapa ett elektron–positronpar:

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

När detta sker försvinner den ursprungliga gammastrålen från den stråle som kan nå jorden. Att ändå upptäcka VHE-fotoner från ett objekt med en rödförskjutning nära 1 visar därför att en del av strålningen kunde färdas omkring 8 miljarder ljusår trots den förväntade absorptionen. 124

Så bildades gammastrålningen

Modelleringen av OP 313:s samlade spektrum stöder främst ett leptonskt scenario. I den modellen sprider relativistiska elektroner i blazarens jet fotoner med lägre energi genom invers Compton-spridning. Fotonerna får då mycket högre energi och omvandlas till gammastrålning. 1

De så kallade fröfotonerna stämmer med strålningsfält i området med breda emissionslinjer och med en dammig torus runt det supermassiva svarta hål som driver den aktiva galaxkärnan. Studien prövar både en modell med två zoner och ett alternativ med en zon, där spridningen sker längre ut i den dammiga torusens strålningsfält. 1

EBL-absorptionen är en separat process. Den skapade inte gammastrålarna vid källan, utan dämpade dem efter att de lämnat jeten och börjat färdas genom det intergalaktiska rummet.

Vad upptäckten säger om universums diffusa ljus

Om EBL vore alltför tätt skulle fler av de observerade gammastrålarna ha absorberats. Att strålningen från OP 313 överlevde gör det möjligt att sätta en övre gräns för EBL-intensiteten nära 0,6 mikrometer:

• λIλ < 8,74 nW m⁻² sr⁻¹ enligt analysen av LST-1-data;
• λIλ < 14,7 nW m⁻² sr⁻¹ enligt MAGIC-data, när systematiska osäkerheter räknas med. 1

Detta är övre gränser, inte en direkt och exakt mätning av EBL:s täthet. Resultaten visar hur mycket diffust optiskt och nära infrarött ljus som maximalt kan finnas längs gammastrålarnas färd utan att helt utplåna den signal som nådde jorden. 14

Ett viktigt test för LST-1

Upptäckten blev det första vetenskapliga resultatet från LST-1, prototypen till Large-Sized Telescope inom Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO). Vid tidpunkten befann sig teleskopet fortfarande i driftsättningsfasen, så kallad commissioning. Den låga energitröskeln och den stora effektiva insamlingsytan var avgörande för att upptäcka en så avlägsen källa vars signal dessutom försvagats av EBL. 46

LST-1 har en diameter på 23 meter och står vid CTAO:s norra anläggning på La Palma. Teleskopet är utformat för att täcka ungefär energiområdet 20 GeV till 3 TeV. 4 Att det kunde upptäcka OP 313 redan under driftsättningen visar att instrumentet kan hitta avlägsna och snabbt varierande källor nära den lägre delen av VHE-området.

Den planerade uppsättningen med fyra LST-teleskop vid CTAO:s norra anläggning väntas förbättra möjligheterna till känsliga mätningar, spektrumanalys och snabb uppföljning av liknande utbrott. Det tillgängliga underlaget anger däremot ingen exakt kvantifiering av hur mycket bättre framtida observationer av OP 313-liknande händelser blir. 417