OP 313 став найвіддаленішим блазаром, поміченим у гамма-променях дуже високих енергій

Рекордне джерело гамма-випромінювання

Спостереження квазара OP 313 показали, що він є найвіддаленішим блазаром, який коли-небудь виявляли в гамма-променях дуже високих енергій (VHE, понад 100 ГеВ). Об’єкт має червоне зміщення z = 0,997, а його випромінювання долало до Землі приблизно 8 мільярдів світлових років. Під час спалаху в грудні 2023 року прототип телескопа LST-1 та два телескопи MAGIC зафіксували значний потік VHE-гамма-променів — близько 0,3 одиниці Крабової туманності на енергіях понад 100 ГеВ. 3

Йдеться саме про рекорд для блазара або активного ядра галактики у VHE-діапазоні, а не обов’язково для всіх типів короткочасних гамма-спалахів. 31

Як телескопи побачили невидимі гамма-фотони

LST-1 розпочав спостереження після сповіщення космічного телескопа Fermi-LAT, який зафіксував підвищення активності OP 313. Велика площа дзеркала та низький енергетичний поріг LST-1 стали вирішальними для виявлення слабкого сигналу від настільки далекого джерела. Спостереження MAGIC незалежно підтвердили результат і розширили вимірювання VHE-випромінювання. 73

LST-1 і MAGIC не фотографують гамма-промені безпосередньо. Коли гамма-фотон входить в атмосферу Землі, він породжує коротку каскадну зливу частинок. Ці частинки випромінюють слабкі спалахи черенковського світла, які й реєструють наземні телескопи.

Сигнал із часів молодого Всесвіту

Через червоне зміщення OP 313 його випромінювання виникло у Всесвіті, який був значно молодшим за сучасний. Фотони вирушили до Землі вже після епохи піку космічного утворення зір, яку називають «космічним полуднем», і подорожували близько 8 мільярдів років. 3

Ця тривала подорож не була безперешкодною. Гамма-промені дуже високих енергій взаємодіяли з оптичними та інфрачервоними фотонами позагалактичного фонового світла (EBL) — сукупного слабкого випромінювання, накопиченого зорями й галактиками за історію Всесвіту.

Під час таких зіткнень гамма-фотон може перетворитися на пару «електрон–позитрон». Унаслідок цього частина гамма-випромінювання зникає з початкового променя, а його спектр зазнає енергозалежного ослаблення. Саме цей «відбиток» допомагає вивчати розподілене між галактиками фонове світло.

Межі для кількості світла між галактиками

Дослідники спільно змоделювали власний спектр джерела та дані Fermi, LST-1 і MAGIC. Це дало змогу встановити жорсткі верхні межі загальної щільності EBL. Для підгонки за даними LST-1 отримано обмеження λIλ < 8,74 нВт м⁻² ср⁻¹ на довжині хвилі 0,6 мкм. 3

Отже, далекий блазар виявився не лише рекордним джерелом гамма-променів: його випромінювання стало своєрідним «ліхтарем», за допомогою якого можна оцінити кількість світла, що заповнює міжгалактичний простір.

Що спричинило спалах OP 313

Багатохвильові дані узгоджуються зі сценарієм, у якому високоенергійні електрони в плазмовому струмені — джеті — розсіюють фотони нижчих енергій. У процесі зворотного комптонівського розсіювання ці фотони отримують енергію та переходять у гамма-діапазон. 3

Джет OP 313 спрямований майже вздовж нашої лінії видимості. Через релятивістське випромінювання його сигнал додатково підсилюється, тому спалах здається надзвичайно яскравим, незважаючи на величезну відстань.

Перша наукова знахідка LST-1 і наступний крок CTAO

Виявлення OP 313 стало першою науковою відкривальною подією для LST-1, коли телескоп ще проходив введення в експлуатацію. Результат продемонстрував, що прототип здатен досліджувати нижню частину VHE-діапазону — саме ту, де віддалені джерела особливо сильно послаблюються через взаємодію з EBL.

На Ла-Пальмі планують офіційно відкрити північний масив CTAO із чотирьох великорозмірних телескопів LST 15 жовтня. Очікується, що він працюватиме з енергіями приблизно від 20 ГеВ і підвищить чутливість до ще віддаленіших джерел гамма-випромінювання. 1245