LST-1 và MAGIC bắt được tia gamma từ blazar cách Trái đất 8 tỷ năm ánh sáng

Phát hiện từ một vụ bùng sáng xa xôi

Các quan sát do Hợp tác LST của Đài quan sát CTAO và Hợp tác MAGIC thực hiện đã xác lập OP 313 — một chuẩn tinh vô tuyến phổ phẳng (FSRQ) có độ lệch đỏ z = 0,997 — là blazar xa nhất từng được phát hiện ở vùng tia gamma năng lượng cực cao (VHE, trên 100 GeV).

Trong đợt bùng sáng vào tháng 12/2023, kính LST-1 và hai kính thiên văn MAGIC ghi nhận tín hiệu VHE đáng kể, đạt khoảng 0,3 đơn vị Crab trên 100 GeV, dù nguồn phát nằm cách Trái đất xấp xỉ 8 tỷ năm ánh sáng. 3

LST-1 và MAGIC đã phát hiện tín hiệu như thế nào?

LST-1 bắt đầu theo dõi OP 313 sau khi kính thiên văn không gian Fermi-LAT phát cảnh báo về hoạt động gia tăng của nguồn này. Với ngưỡng năng lượng thấp và diện tích thu nhận lớn, LST-1 có thể phát hiện những photon gamma bị suy giảm mạnh trong hành trình xuyên vũ trụ. Các quan sát độc lập từ hai kính MAGIC sau đó củng cố và mở rộng phép đo VHE. 73

LST-1 và MAGIC không “chụp” trực tiếp photon gamma bằng cách thông thường. Khi đi vào khí quyển Trái đất, photon gamma tạo ra một trận mưa hạt thứ cấp cực ngắn. Những hạt này phát ra các tia sáng Cherenkov yếu, và kính thiên văn mặt đất phân tích chớp sáng đó để suy ra năng lượng cũng như hướng đến của photon ban đầu.

Vì sao khoảng cách 8 tỷ năm ánh sáng quan trọng?

Các photon được phát ra khi Vũ trụ còn trẻ hơn rất nhiều, vào thời kỳ sau đỉnh hình thành sao thường được gọi là “buổi trưa vũ trụ”. Chúng đã mất khoảng 8 tỷ năm để đến Trái đất. Vì vậy, OP 313 không chỉ là một nguồn ở rất xa: nó còn cho phép các nhà nghiên cứu quan sát hoạt động của một nhân thiên hà hoạt động trong một giai đoạn sớm của lịch sử Vũ trụ. 31

Kỷ lục này cần được hiểu đúng: OP 313 là blazar hoặc nhân thiên hà hoạt động xa nhất được phát hiện ở năng lượng VHE, chứ không nhất thiết là nguồn phát VHE xa nhất thuộc mọi loại hiện tượng thiên văn.

Tia gamma trở thành “thước đo” ánh sáng nền ngoài thiên hà

Trên đường truyền, tia gamma năng lượng cao tương tác với ánh sáng nền ngoài thiên hà (EBL) — bức xạ khuếch tán tích lũy từ các ngôi sao và thiên hà trong suốt lịch sử Vũ trụ, trải rộng từ vùng tử ngoại, quang học đến hồng ngoại.

Trong một số va chạm, photon gamma có thể biến đổi thành một cặp electron–positron. Quá trình này làm suy yếu chùm tia gamma và để lại dấu hiệu suy giảm phụ thuộc vào năng lượng. Bằng cách so sánh phổ phát xạ nội tại của OP 313 với dữ liệu từ Fermi, LST-1 và MAGIC, nhóm nghiên cứu có thể suy ra giới hạn trên đối với mật độ tổng thể của EBL.

Cụ thể, phép khớp với dữ liệu LST-1 cho giới hạn λIλ < 8,74 nW m⁻² sr⁻¹ tại bước sóng 0,6 μm. 3

Điều gì tạo ra vụ bùng sáng?

Phân tích dữ liệu trên nhiều dải bước sóng phù hợp với kịch bản trong đó các electron chuyển động tương đối tính trong tia phụt plasma của OP 313 tán xạ ngược Compton các photon năng lượng thấp. Qua quá trình này, photon được “đẩy” lên vùng năng lượng tia gamma.

Tia phụt của blazar hướng tương đối gần về phía Trái đất. Hiệu ứng hội tụ tương đối tính, hay phát xạ định hướng tương đối tính, khiến tín hiệu quan sát được sáng mạnh hơn đáng kể so với khi tia phụt hướng lệch khỏi chúng ta. 3

Phép thử đầu tiên đầy hứa hẹn của LST-1

Đây là phát hiện khoa học đầu tiên của LST-1 trong khi kính vẫn đang ở giai đoạn chạy thử. Kết quả cho thấy nguyên mẫu này đã có thể tiếp cận vùng VHE năng lượng thấp — khu vực đặc biệt quan trọng khi nghiên cứu các nguồn xa, nơi tia gamma bị EBL hấp thụ mạnh.

Tại La Palma, phân khu CTAO-North gồm bốn kính LST dự kiến được khánh thành vào ngày 15/10/2026. Hệ thống này được thiết kế để đạt ngưỡng quan sát khoảng 20 GeV, qua đó nâng cao khả năng phát hiện các nguồn tia gamma ở khoảng cách còn lớn hơn. 1245