OP 313: Blazar xa nhất từng được phát hiện trong tia gamma năng lượng cực cao

OP 313 là một quasar vô tuyến phổ phẳng (flat-spectrum radio quasar, FSRQ) — một dạng blazar, trong đó tia vật chất tương đối tính từ vùng lân cận hố đen siêu khối lượng hướng gần về phía Trái Đất. Với độ dịch chuyển đỏ z = 0,997, vật thể này nằm cách chúng ta khoảng 8 tỷ năm ánh sáng.

Việc phát hiện tia gamma năng lượng cực cao (VHE, trên 100 GeV) từ OP 313 đã đưa nó trở thành blazar và nhân hoạt thiên hà (AGN) xa nhất từng được quan sát trong dải năng lượng này. Tuy nhiên, cần phân biệt rõ: OP 313 không phải nguồn VHE xa nhất thuộc mọi loại. Vụ bùng phát gamma GRB 201216C nằm ở khoảng cách lớn hơn. 1238

Đợt bùng sáng giúp phá kỷ lục

Cơ hội quan sát OP 313 xuất hiện sau khi kính thiên văn không gian Fermi-LAT ghi nhận nguồn này gia tăng hoạt động. Kính LST-1 bắt đầu theo dõi từ khoảng ngày 9–10/12/2023, sau đó các nhóm nghiên cứu phối hợp quan sát ở nhiều bước sóng. 12

Trong đợt bùng sáng đặc biệt mạnh vào tháng 12/2023, thông lượng tia gamma VHE của OP 313 đạt khoảng 0,3 đơn vị Crab ở trên 100 GeV. LST-1 lần đầu tiên phát hiện phát xạ VHE từ quasar này, còn hai kính Cherenkov MAGIC xác nhận tín hiệu một cách độc lập. Các nhà nghiên cứu kết hợp dữ liệu từ LST-1 và MAGIC với những quan sát ở năng lượng thấp hơn, trong đó có dữ liệu của Fermi-LAT. 156

Hoạt động của OP 313 giảm xuống trong tháng 1/2024. Đợt bùng sáng có sự tương quan trên phần lớn dải điện từ được quan sát, trong khi phát xạ vô tuyến tương đối ổn định. 1

Vì sao phát hiện tia gamma từ khoảng cách này rất khó?

Tia gamma trên 100 GeV không dễ dàng truyền qua khoảng cách vũ trụ. Trên đường đi, chúng tương tác với ánh sáng nền ngoài thiên hà (extragalactic background light, EBL) — tức ánh sáng quang học và hồng ngoại khuếch tán do các ngôi sao, thiên hà phát ra trong suốt lịch sử vũ trụ. 147

Một photon gamma đủ năng lượng có thể va chạm với photon EBL và tạo thành một cặp electron–positron:

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

Quá trình này loại photon gamma ban đầu khỏi chùm bức xạ đến Trái Đất. Vì vậy, việc vẫn phát hiện được các photon trên 100 GeV từ một vật thể có độ dịch chuyển đỏ xấp xỉ 1 cho thấy một phần phát xạ của OP 313 đã vượt qua hành trình khoảng 8 tỷ năm ánh sáng, bất chấp sự hấp thụ dự kiến do EBL. 124

Đây chính là lý do OP 313 lập kỷ lục trong nhóm blazar và AGN phát tia gamma VHE: không chỉ bản thân nguồn ở rất xa, mà các photon năng lượng cao của nó còn phải sống sót qua môi trường ánh sáng vũ trụ dày đặc trên suốt quãng đường truyền tới chúng ta.

Tia gamma được tạo ra như thế nào?

Mô hình hóa toàn bộ phổ năng lượng của OP 313 phù hợp nhất với kịch bản leptonic. Theo kịch bản này, các electron chuyển động với vận tốc tương đối tính trong tia phản lực của blazar tán xạ ngược Compton các photon năng lượng thấp xung quanh, đẩy chúng lên mức năng lượng gamma rất cao. 1

Những photon “hạt giống” có thể đến từ các trường bức xạ trong vùng vạch phát xạ rộng hoặc từ vành xuyến bụi bao quanh hố đen siêu khối lượng đang bồi tụ vật chất. Nghiên cứu xem xét cả mô hình hai vùng và một phương án một vùng, trong đó quá trình tán xạ diễn ra xa hơn, trong trường bức xạ của vành xuyến bụi. 1

Điểm quan trọng là sự suy giảm do EBL xảy ra ở một giai đoạn khác. EBL không tạo ra tia gamma tại nguồn; nó hấp thụ một phần tia gamma sau khi chúng thoát khỏi tia phản lực và truyền qua không gian liên thiên hà.

OP 313 tiết lộ gì về ánh sáng nền của vũ trụ?

Nếu EBL quá dày đặc, nhiều tia gamma từ OP 313 hơn sẽ bị hấp thụ trước khi đến Trái Đất. Số photon còn sống sót vì thế cho phép các nhà nghiên cứu đặt giới hạn trên đối với cường độ EBL gần bước sóng 0,6 micromet:

• λIλ < 8,74 nW m⁻² sr⁻¹ theo phân tích dữ liệu LST-1;
• λIλ < 14,7 nW m⁻² sr⁻¹ theo dữ liệu MAGIC, đã tính đến các bất định hệ thống. 14

Đây là các giới hạn trên, không phải phép đo trực tiếp và chính xác về mật độ EBL. Chúng cho biết lượng ánh sáng quang học và cận hồng ngoại khuếch tán tối đa có thể tồn tại dọc theo hành trình của tia gamma mà không hấp thụ quá nhiều bức xạ quan sát được. 14

Nói cách khác, OP 313 hoạt động như một “đầu dò” xuyên vũ trụ: lượng tia gamma còn lại giúp các nhà khoa học kiểm tra tổng lượng ánh sáng do các ngôi sao và thiên hà từng phát ra kể từ buổi đầu của vũ trụ.

Phép thử quan trọng đối với LST-1 và CTAO

Phát hiện này là kết quả khoa học đầu tiên của LST-1, nguyên mẫu Kính thiên văn Kích thước Lớn (Large-Sized Telescope) thuộc Đài quan sát Mảng kính thiên văn Cherenkov (CTAO), khi kính vẫn đang trong giai đoạn chạy thử và hoàn thiện hệ thống (commissioning). Ngưỡng năng lượng thấp cùng diện tích thu hiệu dụng lớn của LST-1 đóng vai trò then chốt trong việc phát hiện một nguồn ở xa, vốn đã bị EBL làm suy yếu. 46

LST-1 có đường kính 23 mét, đặt tại cơ sở phía bắc của CTAO ở La Palma, Tây Ban Nha, và được thiết kế để bao phủ khoảng năng lượng từ 20 GeV đến 3 TeV. 4 Việc phát hiện OP 313 trong giai đoạn commissioning cho thấy kính có thể nhanh chóng tìm kiếm những nguồn biến thiên và xa xôi ở phần năng lượng thấp của dải VHE — nơi các nguồn ở khoảng cách vũ trụ có cơ hội quan sát tốt hơn.

Theo cấu hình dự kiến, cụm phía bắc của CTAO sẽ có bốn kính LST. Cụm này được kỳ vọng nâng cao khả năng phát hiện, nghiên cứu phổ năng lượng và theo dõi nhanh các hiện tượng bùng phát. Tuy vậy, những dữ liệu hiện có chưa định lượng một mức cải thiện cụ thể cho các đợt bùng sáng tương tự OP 313. 417