OP 313 är den mest avlägsna blazaren som upptäckts i mycket högenergetisk gammastrålning

En signal från universums ungdom

OP 313 är en flat-spectrum radio quasar, eller FSRQ – en typ av aktiv galaxkärna med en relativistisk jetstråle riktad nästan rakt mot jorden. Med rödförskjutningen z = 0,997 ligger objektet ungefär åtta miljarder ljusår bort.

Under ett kraftigt utbrott i december 2023 registrerade prototypen LST-1 och de två MAGIC-teleskopen betydande mycket högenergetisk gammastrålning, så kallad VHE-strålning, vid energier över 100 GeV. Flödet motsvarade omkring 0,3 Crab-enheter över 100 GeV – en jämförelse med den välkända Krabbnebulosan, som ofta används som astronomiskt standardmått. 3

Det gör OP 313 till den mest avlägsna blazaren som hittills upptäckts i detta energiområde. Det är ett avståndsrekord för en VHE-blazar eller aktiv galaxkärna, inte nödvändigtvis för alla typer av kortvariga VHE-händelser. 31

Så kunde teleskopen se gammastrålningen

LST-1 började följa objektet efter en varning från rymdteleskopet Fermi-LAT, som hade registrerat ökad aktivitet. LST-1:s låga energitröskel och stora insamlingsyta var avgörande för att upptäcka den svaga signalen från den avlägsna källan. MAGIC-observationerna gav ett oberoende stöd och utvidgade mätningen. 73

Varken LST-1 eller MAGIC fotograferar gammastrålar direkt. När en gammastråle träffar jordens atmosfär skapar den i stället en kortvarig kaskad av partiklar. Partiklarna ger upphov till en svag Cherenkov-ljusblixt, som teleskopen registrerar och använder för att rekonstruera den ursprungliga gammastrålens energi och riktning.

Åtta miljarder år genom kosmos

Fotonerna från OP 313 började sin färd när universum var betydligt yngre än i dag, under en epok strax efter den period då stjärnbildningen nådde sin högsta nivå – ibland kallad ”kosmisk middag”. Sedan dess har de färdats i omkring åtta miljarder år innan en del av dem nådde teleskopen på La Palma. 3

På vägen passerade gammastrålningen genom det extragalaktiska bakgrundsljuset, EBL. Det är den samlade svaga strålningen från stjärnor och galaxer, framför allt i de optiska och infraröda delarna av det elektromagnetiska spektrumet.

VHE-gammastrålar kan kollidera med EBL-fotoner och omvandlas till ett elektron–positron-par. Därmed försvinner en del av gammastrålningen från strålen mot jorden. Effekten blir starkare vid högre energier och längre avstånd, vilket gör att den observerade energifördelningen bär spår av hur mycket bakgrundsljus fotonerna har passerat genom.

Genom att jämföra den förväntade ursprungliga strålningen med data från Fermi, LST-1 och MAGIC kunde forskarna sätta övre gränser för EBL:s totala intensitet. LST-1-analysen gav exempelvis gränsen λIλ < 8,74 nW m⁻² sr⁻¹ vid 0,6 mikrometer. 3

Vad driver utbrottet?

Den samlade informationen över flera våglängder stämmer med en modell där elektroner i jetstrålen rör sig med extremt höga hastigheter. Elektronerna sprider fotoner med lägre energi genom invers Compton-spridning och höjer dem till gammastrålningsområdet. 3

Eftersom jetstrålen pekar nära vår siktlinje förstärks signalen genom relativistisk beaming. Det gör att emissionen ser ovanligt ljusstark ut från jorden, trots det enorma avståndet till OP 313.

Ett viktigt test för LST-1

Upptäckten var LST-1:s första vetenskapliga upptäckt medan teleskopet fortfarande befann sig i driftsättningsfasen. Den visar att prototypen kan nå det lågenergetiska VHE-området, vilket är särskilt viktigt för avlägsna källor vars gammastrålning dämpas kraftigt av EBL. 1245

På La Palma planeras ett nordligt CTAO-system med fyra stora LST-teleskop. Invigningen är planerad till den 15 oktober och systemet ska kunna nå energier ned mot ungefär 20 GeV. Det kan ge bättre möjligheter att upptäcka ännu mer avlägsna gammastrålkällor – och att använda deras ljus som ett slags kosmiskt bakgrundsljusfilter.