Як OP 313 встановив рекорд відстані для блазарів у гамма-променях

OP 313 — це плоскоспектральний радіоквазар (FSRQ), тобто різновид блазара, у якого релятивістський струмінь плазми спрямований майже просто на Землю. За червоного зміщення z = 0,997 об’єкт розташований приблизно за 8 мільярдів світлових років. Виявлення від нього гамма-випромінювання надвисоких енергій (VHE, понад 100 ГеВ) зробило OP 313 найвіддаленішим блазаром — і активним галактичним ядром — коли-небудь зафіксованим у цьому енергетичному діапазоні. 124

Водночас це твердження має важливе уточнення: OP 313 є найвіддаленішим блазаром та активним галактичним ядром, виявленим у VHE-гамма-променях, але не найвіддаленішим VHE-джерелом будь-якого типу. Спалах гамма-променів GRB 201216C відбувся ще далі. 238

Спалах, який відкрив рекорд

Спостереження розпочалися після того, як космічний телескоп Fermi-LAT зареєстрував підвищену активність OP 313. Телескоп LST-1 почав стежити за джерелом приблизно 9–10 грудня 2023 року, а згодом до кампанії долучилися обсерваторії, що спостерігали об’єкт у різних діапазонах електромагнітного спектра. 12

Під час надзвичайно яскравого спалаху потік VHE-випромінювання сягнув приблизно 0,3 одиниці Crab на енергіях понад 100 ГеВ. LST-1 уперше зафіксував VHE-випромінювання від OP 313, а два телескопи MAGIC незалежно підтвердили цей результат. Дослідники поєднали дані LST-1 і MAGIC із вимірюваннями на нижчих енергіях, зокрема спостереженнями Fermi-LAT. 156

У січні 2024 року активність джерела була вже нижчою. Спалах демонстрував узгоджені зміни в більшості досліджених діапазонів, тоді як радіовипромінювання залишалося порівняно стабільним. 1

Чому гамма-променям було так важко дістатися Землі

Гамма-фотони з енергією понад 100 ГеВ погано долають космологічні відстані. На своєму шляху вони зустрічаються з позагалактичним фоновим світлом (EBL) — слабким розсіяним оптичним та інфрачервоним випромінюванням, яке накопичувалося від зір і галактик протягом історії Всесвіту. 147

Достатньо енергійний гамма-фотон може взаємодіяти з фотоном EBL і породити пару електрон–позитрон:

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

Унаслідок цього початковий гамма-фотон зникає з потоку, що прямує до Землі. Тому виявлення фотонів із енергією понад 100 ГеВ від джерела з червоним зміщенням близько 1 означає, що частина випромінювання змогла подолати приблизно 8 мільярдів світлових років, попри очікуване поглинання EBL. Саме це робить OP 313 рекордсменом серед VHE-блазарів та AGN. 124

Як утворилося гамма-випромінювання

Моделювання повного спектра найкраще узгоджується з лептонним сценарієм. У ньому електрони, що рухаються релятивістськими швидкостями в струмені блазара, розсіюють фотони нижчої енергії через процес оберненого Комптонівського розсіювання. У результаті виникають гамма-фотони високої енергії. 1

Фотони-«затравки» можуть походити з полів випромінювання в області широких емісійних ліній та з пилового тора навколо надмасивної чорної діри, яка живить активне галактичне ядро. Дослідження розглядає як двозонну модель, так і альтернативну однозонну модель, у якій розсіювання відбувається далі від чорної діри — у межах поля пилового тора. 1

Поглинання EBL — це окремий етап. Воно не породило гамма-промені в самому джерелі, а вплинуло на їхнє поширення вже після виходу зі струменя, під час подорожі міжгалактичним простором.

Що спостереження говорить про фонове світло Всесвіту

Якби EBL було надто щільним, воно поглинало б більше гамма-фотонів, ніж зафіксували телескопи. Той факт, що випромінювання OP 313 збереглося, дає змогу встановити верхню межу інтенсивності EBL поблизу довжини хвилі 0,6 мкм:

• λIλ < 8,74 нВт м⁻² ср⁻¹ за аналізом даних LST-1;
• λIλ < 14,7 нВт м⁻² ср⁻¹ за даними MAGIC, з урахуванням систематичних похибок. 1

Ці значення є верхніми межами, а не прямим вимірюванням точної щільності EBL. Вони показують, скільки розсіяного оптичного та ближнього інфрачервоного світла може міститися вздовж шляху гамма-променів, не знищуючи спостережуваний сигнал. 14

Перша наукова перемога LST-1

Відкриття стало першим науковим результатом LST-1 — прототипу великого телескопа Large-Sized Telescope обсерваторії Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO). На момент спостережень телескоп ще проходив етап введення в експлуатацію. Низький енергетичний поріг і велика ефективна площа LST-1 виявилися вирішальними для реєстрації настільки далекого джерела, чиє випромінювання послаблюється через взаємодію з EBL. 46

LST-1 має діаметр 23 метри й розташований на майданчику CTAO на острові Ла-Пальма. Телескоп розрахований на роботу приблизно в діапазоні від 20 ГеВ до 3 ТеВ. 4 Виявлення OP 313 під час commissioning стало практичним підтвердженням того, що інструмент здатен швидко знаходити далекі та змінні джерела на нижньому краї VHE-діапазону.

Запланована північна установка CTAO із чотирма телескопами LST має розширити можливості для чутливих спостережень, спектрального аналізу та швидкого відстеження подібних спалахів. Однак надані дані не містять конкретної кількісної оцінки того, наскільки саме покращаться параметри для майбутніх подій, подібних до спалаху OP 313. 417