OP 313, şimdiye kadar gözlenen en uzak çok yüksek enerjili blazar oldu

OP 313, düz spektrumlu bir radyo kuasarıdır (FSRQ). Bu tür nesneler, görelilik etkileriyle hızlandırılmış parçacık jetlerinden biri Dünya’ya doğru yönelmiş olan blazarlar olarak sınıflandırılır. z = 0,997 kırmızıya kayma değerine sahip OP 313, yaklaşık 8 milyar ışık yılı uzaklıktadır. Kaynaktan 100 GeV’nin üzerindeki çok yüksek enerjili (VHE) gama ışınlarının tespit edilmesi, onu bu enerji aralığında gözlenen en uzak blazar ve aktif galaktik çekirdek haline getirdi. 124

Burada önemli bir ayrım var: OP 313, herhangi bir türdeki en uzak VHE kaynak değil, VHE gama ışınlarıyla gözlenen en uzak blazar/aktif galaktik çekirdektir. Daha uzakta bulunan GRB 201216C gama ışını patlaması, bu kategorideki genel uzaklık rekorunu elinde tutar. 238

Aralık 2023’teki olağanüstü parlama

Gözlem kampanyası, NASA’nın Fermi-LAT uzay teleskobunun OP 313’te artan etkinlik tespit etmesiyle başladı. LST-1, kaynağı yaklaşık 9–10 Aralık 2023’ten itibaren gözlemlemeye başladı; farklı dalga boylarında çalışan başka gözlemevleri de kampanyaya katıldı. 12

Olağanüstü parlak parlama sırasında OP 313’ün 100 GeV üzerindeki VHE akısı yaklaşık 0,3 Crab birimine ulaştı. LST-1, kaynaktan gelen VHE ışımayı ilk kez tespit ederken, La Palma’daki iki MAGIC teleskobu da bu sinyali bağımsız olarak doğruladı. Araştırmacılar LST-1 ve MAGIC verilerini, Fermi-LAT dahil olmak üzere diğer tesislerin daha düşük enerjili ölçümleriyle birlikte analiz etti. 156

Kaynağın etkinliği Ocak 2024’te daha düşük seviyeye indi. Parlama, gözlemlenen elektromanyetik tayfın büyük bölümünde birbiriyle bağlantılı değişimler gösterirken radyo ışıması görece sabit kaldı. 1

Bu kadar uzaktan gama ışını görmek neden zor?

100 GeV’nin üzerindeki gama ışınları kozmolojik mesafeleri kolayca aşamaz. Dünya’ya doğru ilerlerken, yıldızlar ve galaksiler tarafından evrenin tarihi boyunca üretilen dağınık optik ve kızılötesi ışık olan ekstragalaktik arka plan ışığıyla (EBL) etkileşirler. 147

Yeterince enerjik bir gama fotonu, EBL’deki bir fotonla çarpışarak elektron-pozitron çifti oluşturabilir:

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

Bu süreç, ilk gama fotonunu Dünya’ya ulaşan ışın demetinden çıkarır. Dolayısıyla kırmızıya kayması yaklaşık 1 olan bir kaynaktan VHE gama fotonlarının tespit edilmesi, bu fotonların yaklaşık 8 milyar ışık yılı boyunca ilerlerken EBL tarafından beklenen soğurulmaya rağmen yolculuğu tamamladığını gösterir. 124

OP 313’ün gama ışınları nasıl üretildi?

Tüm tayfın modellenmesi, leptonik bir senaryoyu destekliyor. Bu modelde, blazar jetinde görelilik hızlarında hareket eden elektronlar, çevredeki daha düşük enerjili fotonları ters Compton saçılmasıyla daha yüksek enerjilere taşır ve gama ışınlarına dönüştürür. 1

Bu süreçteki “tohum” fotonların, süper kütleli kara deliği çevreleyen geniş çizgi bölgesindeki ve tozlu torustaki ışınım alanlarıyla uyumlu olduğu düşünülüyor. Çalışmada hem iki bölgeli bir model hem de saçılmanın kara delikten daha uzakta, tozlu torusun ışınım alanında gerçekleştiği tek bölgeli alternatif ele alınıyor. 1

EBL’nin etkisi ise bundan farklı bir aşamada ortaya çıktı. EBL, gama ışınlarını OP 313’ün jetinde üretmedi; fotonlar kaynaktan çıktıktan ve galaksiler arası uzayda ilerlemeye başladıktan sonra onların bir bölümünü soğurdu.

Kozmik arka plan ışığı için üst sınır

EBL aşırı yoğun olsaydı, gözlemlenen gama ışınlarının daha büyük bir kısmını soğurması gerekirdi. OP 313’ten gelen ışınımın Dünya’ya ulaşabilmesi, EBL yoğunluğu için yaklaşık 0,6 mikrometre dalga boyunda üst sınırlar belirlenmesini sağladı:

• LST-1 verilerinin analizine göre: λIλ < 8,74 nW m⁻² sr⁻¹;
• Sistematik belirsizlikler de hesaba katıldığında MAGIC verilerine göre: λIλ < 14,7 nW m⁻² sr⁻¹. 1

Bu değerler EBL’nin kesin yoğunluğunun doğrudan ölçümleri değil, üst sınırlardır. Başka bir deyişle sonuçlar, gözlemlenen gama ışınlarını tamamen yok etmeden evrende ne kadar dağınık optik ve yakın kızılötesi ışık bulunabileceğini sınırlar. 14

LST-1 için ilk bilimsel keşif

OP 313 gözlemi, Cherenkov Telescope Array Observatory’nin (CTAO) La Palma’daki kuzey yerleşkesinde bulunan 23 metre çapındaki Large-Sized Telescope prototipi LST-1’in ilk bilimsel VHE keşfi oldu. Teleskobun düşük enerji eşiği ve geniş etkin toplama alanı, EBL tarafından zayıflatılmış böylesine uzak bir kaynağın tespit edilmesinde kritik rol oynadı. 46

LST-1, yaklaşık 20 GeV ile 3 TeV arasındaki enerji aralığını incelemek üzere tasarlandı. 4 Teleskobun henüz devreye alma aşamasındayken OP 313’ü yakalaması, geçici ve uzak kaynakları VHE aralığının düşük enerji ucunda izleme kapasitesini pratikte ortaya koydu.

CTAO’nun La Palma’daki kuzey yerleşkesinde planlanan dört LST’den oluşan dizi, gelecekte hassasiyet, tayfsal ölçümler ve hızlı takip gözlemleri açısından kapasiteyi artırabilir. Ancak mevcut veriler, OP 313 benzeri gelecek parlamaları için bu artışın ne kadar olacağını sayısal olarak vermiyor. 417