OP 313 ทำลายสถิติเป็นบลาซาร์ที่ไกลที่สุดที่ตรวจพบรังสีแกมมาพลังงานสูงมาก

OP 313 เป็น ควาซาร์วิทยุสเปกตรัมแบน (flat-spectrum radio quasar หรือ FSRQ) ซึ่งเป็นบลาซาร์ประเภทหนึ่งที่มีเจ็ตอนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้แสงพุ่งเกือบตรงมายังโลก ด้วยค่าเรดชิฟต์ z = 0.997 วัตถุนี้อยู่ห่างจากโลกราว 8 พันล้านปีแสง

การตรวจพบรังสีแกมมาพลังงานสูงมาก หรือ VHE (มากกว่า 100 GeV) จาก OP 313 ทำให้มันกลายเป็น บลาซาร์และนิวเคลียสกาแล็กซีที่มีพลังงานสูง (AGN) ที่อยู่ไกลที่สุดซึ่งเคยตรวจพบในช่วงพลังงานนี้ 124

อย่างไรก็ตาม มีข้อควรแยกให้ชัดเจน: OP 313 เป็นแหล่งกำเนิดประเภทบลาซาร์/AGN ที่ไกลที่สุดในกลุ่ม VHE แต่ไม่ใช่แหล่งกำเนิด VHE ที่ไกลที่สุดทุกประเภท เพราะการปะทุรังสีแกมมา GRB 201216C อยู่ไกลกว่า 238

การปะทุครั้งใหญ่ในเดือนธันวาคม 2023

การติดตาม OP 313 เริ่มขึ้นหลังกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Fermi-LAT ตรวจพบว่าแหล่งกำเนิดนี้มีความเคลื่อนไหวเพิ่มขึ้น จากนั้นกล้อง LST-1 เริ่มสังเกตการณ์ในช่วงประมาณวันที่ 9–10 ธันวาคม 2023 และมีการติดตามต่อด้วยกล้องโทรทรรศน์หลายชนิดในหลายช่วงความยาวคลื่น 12

ระหว่างการปะทุที่สว่างอย่างผิดปกติ ฟลักซ์ของรังสี VHE จาก OP 313 สูงถึงประมาณ 0.3 Crab Unit ที่พลังงานมากกว่า 100 GeV ซึ่งเป็นหน่วยเปรียบเทียบความสว่างของแหล่งกำเนิดรังสีแกมมากับเนบิวลาปู กล้อง LST-1 ตรวจพบการปล่อยรังสี VHE จาก OP 313 เป็นครั้งแรก ขณะที่กล้องเชเรนคอฟ MAGIC สองตัวตรวจพบและยืนยันสัญญาณดังกล่าวอย่างเป็นอิสระ 156

การวิเคราะห์นำข้อมูลจาก LST-1 และ MAGIC มารวมกับข้อมูลในช่วงพลังงานต่ำกว่าจากหอสังเกตการณ์อื่น รวมถึง Fermi-LAT 1 กิจกรรมของแหล่งกำเนิดลดลงในเดือนมกราคม 2024 โดยความสว่างของการปะทุมีความสัมพันธ์กันในหลายช่วงของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ขณะที่การปล่อยคลื่นวิทยุยังค่อนข้างคงที่ 1

เหตุใดการตรวจพบจึงทำได้ยาก

รังสีแกมมาที่มีพลังงานมากกว่า 100 GeV ไม่สามารถเดินทางข้ามระยะทางระดับจักรวาลได้อย่างง่ายดาย ระหว่างทางพวกมันต้องผ่าน พื้นหลังแสงนอกกาแล็กซี หรือ EBL ซึ่งเป็นแสงออปติคัลและอินฟราเรดแบบกระจายที่สะสมจากดาวฤกษ์และกาแล็กซีตลอดประวัติศาสตร์ของเอกภพ 147

โฟตอนแกมมาพลังงานสูงอาจชนกับโฟตอนของ EBL และก่อให้เกิดคู่อิเล็กตรอน–โพซิตรอนตามกระบวนการ

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

เมื่อเกิดปฏิกิริยานี้ โฟตอนแกมมาต้นทางจะหายไปจากลำแสงที่เดินทางมายังโลก ดังนั้น การตรวจพบโฟตอนที่มีพลังงานมากกว่า 100 GeV จากวัตถุที่มีเรดชิฟต์ใกล้ 1 จึงเป็นเรื่องยากเป็นพิเศษ เพราะมีรังสีบางส่วนถูกดูดกลืนระหว่างการเดินทางราว 8 พันล้านปีแสง 124

นี่คือเหตุผลสำคัญที่ OP 313 สามารถสร้างสถิติระยะทางในกลุ่มบลาซาร์ที่ตรวจพบในช่วง VHE ได้สำเร็จ

รังสีแกมมาของ OP 313 เกิดขึ้นได้อย่างไร

การจำลองสเปกตรัมโดยรวมสนับสนุน แบบจำลองเจ็ตเลปโตนิก ในสถานการณ์นี้ อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเชิงสัมพัทธภาพภายในเจ็ตของบลาซาร์จะกระเจิงโฟตอนพลังงานต่ำผ่านกระบวนการอินเวิร์สคอมป์ตัน ทำให้โฟตอนเหล่านั้นมีพลังงานสูงขึ้นจนกลายเป็นรังสีแกมมา 1

โฟตอนตั้งต้นที่ถูกกระเจิงมีความสอดคล้องกับสนามรังสีในบริเวณเส้นเปล่งแสงกว้าง และบริเวณ โทริฝุ่น ที่ล้อมรอบหลุมดำมวลยิ่งยวดซึ่งกำลังดูดกลืนสสารและขับเคลื่อนนิวเคลียสกาแล็กซีที่มีพลังงานสูง นักวิจัยพิจารณาทั้งแบบจำลองสองโซนและทางเลือกแบบโซนเดียว ซึ่งการกระเจิงเกิดขึ้นไกลออกไปในสนามรังสีของโทริฝุ่น 1

ส่วนการดูดกลืนโดย EBL เป็นกระบวนการคนละช่วงกัน EBL ไม่ได้เป็นตัวสร้างรังสีแกมมาที่แหล่งกำเนิด แต่ส่งผลต่อรังสีหลังจากมันหลุดพ้นจากเจ็ตและเดินทางผ่านอวกาศระหว่างกาแล็กซีแล้ว

ร่องรอยที่ OP 313 ทิ้งไว้เกี่ยวกับแสงพื้นหลังของเอกภพ

หาก EBL มีความหนาแน่นสูงเกินไป มันจะดูดกลืนรังสีแกมมามากกว่าที่กล้องตรวจพบได้ การที่รังสีบางส่วนจาก OP 313 ยังคงเดินทางมาถึงโลกจึงช่วยให้นักวิจัยกำหนด ขีดจำกัดบน ของความเข้ม EBL ใกล้ความยาวคลื่น 0.6 ไมโครเมตร ได้ดังนี้

• λIλ < 8.74 nW m⁻² sr⁻¹ จากการวิเคราะห์ข้อมูลของ LST-1
• λIλ < 14.7 nW m⁻² sr⁻¹ จากข้อมูลของ MAGIC โดยรวมความไม่แน่นอนเชิงระบบแล้ว 1

ค่าดังกล่าวเป็น ขีดจำกัดบน ไม่ใช่การวัดความหนาแน่นที่แท้จริงโดยตรง กล่าวอีกอย่างคือ ผลลัพธ์นี้บอกว่าแสงออปติคัลแบบกระจายและแสงอินฟราเรดใกล้ ๆ สามารถมีอยู่ตามเส้นทางระหว่าง OP 313 กับโลกได้มากที่สุดเพียงใด โดยไม่ดูดกลืนรังสีที่ตรวจพบจนหมด 14

การยืนยันศักยภาพของ LST-1 และ CTAO

การตรวจพบ OP 313 ถือเป็นผลงานทางวิทยาศาสตร์ครั้งแรกของ LST-1 ซึ่งเป็นต้นแบบกล้อง Large-Sized Telescope ของหอดูดาว Cherenkov Telescope Array Observatory หรือ CTAO ขณะที่กล้องยังอยู่ในช่วงทดสอบและเตรียมความพร้อมใช้งาน (commissioning) 46

LST-1 มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 23 เมตร ตั้งอยู่ที่พื้นที่ทางตอนเหนือของ CTAO บนเกาะลาปัลมา ประเทศสเปน และออกแบบมาให้ครอบคลุมช่วงพลังงานประมาณ 20 GeV ถึง 3 TeV 4 เกณฑ์พลังงานขั้นต่ำที่ต่ำและพื้นที่รับสัญญาณขนาดใหญ่ของกล้องมีบทบาทสำคัญต่อการตรวจจับแหล่งกำเนิดที่อยู่ไกลมากและถูกรังสี EBL ลดทอนลง

การตรวจพบ OP 313 ตั้งแต่ช่วง commissioning จึงเป็นหลักฐานเชิงปฏิบัติว่า LST-1 สามารถค้นหาและติดตามแหล่งกำเนิดรังสีแกมมาที่อยู่ไกลและเปลี่ยนแปลงรวดเร็วได้ โดยเฉพาะในช่วงพลังงาน VHE ระดับต่ำซึ่งยังพอมีโอกาสตรวจจับวัตถุไกลโพ้นได้

ในอนาคต แผนการติดตั้ง LST จำนวน 4 ตัวในกลุ่มกล้องทางตอนเหนือของ CTAO คาดว่าจะเพิ่มขีดความสามารถด้านความไว การวิเคราะห์สเปกตรัม และการติดตามเหตุการณ์ปะทุอย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ดี ข้อมูลที่มีอยู่ยังไม่ได้ระบุเป็นตัวเลขว่าความสามารถดังกล่าวจะดีขึ้นเท่าใดสำหรับการปะทุแบบ OP 313 417