OP 313为何成为超高能伽马射线中最遥远的耀变体？

OP 313是一颗平谱射电类星体（flat-spectrum radio quasar，FSRQ），属于耀变体的一种。它的相对论性喷流几乎正对着地球，因此看起来格外明亮。OP 313的红移为z=0.997，距离地球约80亿光年。此次探测到它发出的超高能（VHE，能量高于100 GeV）伽马射线后，OP 313成为迄今在这一能区发现的最遥远耀变体，也是最遥远的活动星系核（AGN）。124

需要注意的是，这一纪录指的是最遥远的耀变体或活动星系核，并不是所有类型的超高能伽马射线源中最遥远的一个。伽马射线暴GRB 201216C的距离更远。238

2023年12月：一次让远方类星体“现身”的耀斑

观测的起点，是费米伽马射线太空望远镜搭载的大面积望远镜（Fermi-LAT）监测到OP 313的活动增强。LST-1大约从2023年12月9日至10日开始跟踪这一目标，随后还开展了跨多个波段的协同观测。12

在这次异常明亮的耀斑期间，OP 313在100 GeV以上的积分流量达到约0.3个Crab单位。这是LST-1首次探测到来自OP 313的超高能辐射；位于西班牙拉帕尔马的两台MAGIC切伦科夫望远镜也独立确认了这次探测。研究团队将LST-1和MAGIC的数据，与Fermi-LAT等设施在较低能量范围获得的观测结果结合起来进行分析。156

到2024年1月，OP 313的活动水平已经下降。耀斑在观测到的大部分电磁波段呈现相关变化，但射电辐射相对稳定。1

为什么这次探测如此困难？

能量超过100 GeV的伽马射线，很难从宇宙学距离抵达地球。它们在传播途中会遇到外星系背景光（EBL）：这是宇宙历史上恒星和星系发出的、弥散在整个宇宙中的光，主要覆盖光学和红外波段。147

当高能伽马射线光子与外星系背景光中的光子相撞时，可能发生电子—正电子对产生：

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

这一过程会消耗原本朝地球传播的伽马射线光子。也就是说，从红移接近1、约80亿光年外的OP 313仍能探测到超过100 GeV的光子，说明其中一部分辐射成功穿越了漫长的宇宙空间，并抵抗了外星系背景光带来的预期吸收。124

这些伽马射线是如何产生的？

对OP 313完整电磁谱的建模更支持一种轻子模型。在这一情景中，耀变体喷流中的电子被加速到接近光速，以相对论性速度运动；它们通过逆康普顿散射将周围的低能光子提升为高能伽马射线。1

这些作为“种子”的低能光子，来源与宽发射线区以及围绕正在吸积物质的超大质量黑洞运行的尘埃环面相符。研究同时考察了双区域模型，以及单区域模型这一替代方案；在后者中，散射主要发生在距离黑洞更远的尘埃环面辐射场内。1

外星系背景光造成的吸收则是后续发生的传播效应。它并没有在OP 313内部生成伽马射线，而是在伽马射线离开喷流、穿越星系际空间之后，改变了抵达地球的辐射强度。

OP 313如何帮助测量宇宙背景光？

如果外星系背景光过于密集，沿途就会吸收比实际观测到的更多伽马射线。因此，OP 313仍能被探测到，使研究人员能够对波长约0.6微米处的背景光强度设定上限：1

• LST-1数据给出的上限为：λIλ < 8.74 nW m⁻² sr⁻¹；
• MAGIC数据给出的上限为：λIλ < 14.7 nW m⁻² sr⁻¹，其中包括系统误差。1

这些数值是上限约束，并不是对外星系背景光精确密度的直接测量。它们说明，沿着这样漫长的传播路径，宇宙中最多可以存在多少弥散的光学光和近红外光，而不会将观测到的伽马射线全部吸收掉。14

对LST-1和CTAO意味着什么？

这次发现是LST-1的首个科学成果。LST-1是切伦科夫望远镜阵列天文台（CTAO）的大型望远镜原型机，当时仍处于调试阶段。它较低的能量阈值和较大的有效面积，对于发现这种距离遥远、且已被外星系背景光削弱的伽马射线源至关重要。46

LST-1位于西班牙加那利群岛拉帕尔马岛的CTAO北方台址，口径为23米，设计观测范围大致为20 GeV至3 TeV。4 在正式完成调试前就探测到OP 313，展示了它在超高能范围低能端寻找遥远、短暂爆发源的能力。

CTAO北方台址未来规划的四台大型望远镜阵列，有望进一步提升对这类目标的灵敏度、光谱研究能力和快速跟踪能力。不过，现有资料并未量化该阵列针对类似OP 313耀斑的具体性能提升幅度。417