Odległa galaktyka (w czasie i przestrzeni)
Promieniowanie gamma bardzo wysokich energii to fotony (cząstki elementarne - kwanty światła), które posiadają energię setki miliardów razy większą niż światło widzialne. Energia ta jest na tyle duża, że podróżując przez przestrzeń kosmiczną mogą oddziaływać z niskoenergetycznym światłem wypełniającym wszechświat tworząc cząstki materialne (parę elektron i pozyton). Wykrycie tak energetycznych fotonów wymaga specjalnych technik obserwacyjnych z pogranicza astronomii i fizyki cząstek elementarnych. Tzw. „teleskopy czerenkowskie” (MAGIC o 17 m średnicy i LST-1 o 23 m średnicy) są w stanie wykrywać promieniowanie gamma od kilku miliardów do setek bilionów razy bardziej energetyczne niż światło widzialne. Wspólne obserwacje aktywnej galaktyki OP 313 poskutkowały wykryciem emisji sprzed 8 miliardów lat, ustanawiając rekord najdalszego źródła tego typu obserwowanego w tym zakresie energii. Promieniowanie to po drodze do Ziemi oddziaływało z tzw. pozagalaktycznym promieniowaniem tła, tj. sumą emisji wszystkich galaktyk i pyłu kosmicznego. Oddziaływania te powodują że jedynie niewielka część oryginalnych fotonów gamma jest w stanie przetrwać tę podróż i jedynie dzięki bardzo dobrej czułości instrumentów, MAGIC i LST-1, obserwacje i badanie tej emisji były możliwe.
Odkrycie
Aktywne galaktyki są to galaktyki z których centralnej części obserwowana jest silnie zmienna emisja wykraczająca poza termiczną emisję poszczególnych gwiazd galaktyki. Uważa się, że są one zasilane poprzez spadek materii na super-masywną czarną dziurę. Z niektórych aktywnych galaktyk obserwuje się gwałtowne wypływy materii z prędkością zbliżoną do prędkości światła, tzw. strugi. W przypadku OP 313 taka struga jest zwrócona w stronę Ziemi. W grudniu 2023, pierwszy z teleskopów Large-Sized Telescope (LST) budowanego obserwatorium Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO LST-1) wykrył po raz pierwszy emisję promieniowania gamma bardzo wysokich energii z OP 313. Wyniki tych badań, prowadzonych również z udziałem teleskopów MAGIC, zostały właśnie opublikowane w czasopiśmie Astronomy and Astrophysics (wersja PDF).
Naukowcy pracujący we współpracach MAGIC i CTAO/LST przeanalizowali dane z obu instrumentów nakładając silne ograniczenia na gęstość pozagalaktycznego promieniowania tła. Wraz z szerokopasmowymi obserwacjami przy niższych energiach scharakteryzowali zmienność emisji. Badania wskazują na przyspieszanie wysokoenergetycznych elektronów w strudze OP 313 i przyczyniają się do lepszego zrozumienia procesów fizycznych zachodzących w tego typu źródłach. Pokazują również skuteczność wspólnych obserwacji prowadzonych za pomocą teleskopów czerenkowskich, w szczególności nowej generacji teleskopu LST-1, do którego w najbliższym czasie dołączą trzy kolejne teleskopy LST w obserwatorium Roque de Los Muchachos oraz, nieco później, pięć teleskopów średniej wielkości MST (Medium-Sized Telescope) o średnicy 12 m. Powstająca sieć północnego obserwatorium CTAO, obejmująca cztery teleskopy LST oraz pięć teleskopów MST, znacząco zwiększy czułość obserwacji promieniowania gamma bardzo wysokich energii i pozwoli rozszerzyć kosmiczny horyzont takich badań do odległości, które dotychczas pozostawały poza zasięgiem instrumentów tej klasy.
MAGIC, LST-1 i CTAO
MAGIC jest systemem dwóch teleskopów czerenkowskich umieszczonych w obserwatorium Roque de Los Muchachos. Pierwszy teleskop rozpoczął obserwacje w 2003, podczas gdy drugi został ukończony w 2009. Teleskopy MAGIC zrewolucjonizowały astrofizykę promieniowania gamma bardzo wysokich energii poprzez możliwość obserwacji w zakresie energii który był zbyt wysoki dla instrumentów satelitarnych a zbyt niski dla poprzednich teleskopów czerenkowskich. Dotychczas współpraca MAGIC opublikowała ponad 200 artykułów w recenzowanych czasopismach specjalistycznych, fundamentalnie zmieniając nasze pojmowanie ekstremalnego wszechświata poprzez serię przełomowych odkryć.
LST-1 jest pierwszym teleskopem typu Large-Sized Telescope obecnie budowanego obserwatorium CTAO, aktualnie konstruowanego na wyspie kanaryjskiej La Palma w Hiszpanii oraz na wyżynie Paranal w Chile. LST są największym typem teleskopów CTAO. Ich konstrukcja jest zoptymalizowana dla wykrywania z dużą czułością i krótkim czasem reakcji promieniowania o energiach pośrednich pomiędzy zakresem obecnie dostępnym dla detektorów na orbicie Ziemi i z jej powierzchni. 23 metrowa średnica, możliwość szybkiego przekierowania na dowolne miejsce na niebie, sprawiają że teleskopy te są potężnym narzędziem do badania ekstremalnych zjawisk we wszechświecie. LST-1 został ukończony w 2018 w obserwatorium Roque de Los Muchachos i wkrótce dołączą do niego trzy kolejne teleskopy LST, już zainstalowane na terenie obserwatorium. Inauguracja sieci czterech teleskopów LST, planowana na 15 października 2026, będzie ważnym kamieniem milowym w historii astrofizyki promieniowania gamma bardzo wysokich energii oraz w realizacji projektu CTAO.
Materiał źródłowy: Notatka prasowa Polskiej grupa LST (Uniwersytet Łódzki) prof. dr hab. Julian Sitarek
Redakcja: Michał Gruda (Centrum Współpracy z Otoczeniem)
