Detectado el AGN más distante observado hasta la fecha en muy altas energías

El pasado 15 de diciembre, la Colaboración Large-Sized Telescope (LST) anunció a través de un Astronomer’s Telegram (ATel) la detección de la fuente OP 313 a muy altas energías con el LST-1. Aunque se conocía OP 313 a energías más bajas, nunca se había detectado por encima de los 100 GeV, lo que hace que este sea el primer descubrimiento científico del LST-1. Con estos resultados, OP 313 se convierte en el Núcleo Galáctico Activo (AGN, por sus siglas en inglés) más distante jamás detectado por un telescopio Cherenkov, lo que demuestra una vez más el rendimiento excepcional del prototipo del LST mientras sigue su puesta en marcha en CTAO-Norte en la isla de La Palma.

OP 313 es un tipo de AGN conocido como Cuásar de Radio de Espectro Plano o FSRQ (Flat Spectrum Radio Quasar). Se trata de objetos muy luminosos que se encuentran en los centros de algunas galaxias, donde un agujero negro supermasivo devora material de su entorno, creando potentes discos de acreción y chorros de luz y partículas relativistas.

El LST-1 observó esta fuente entre el 10 y el 14 de diciembre, tras recibir una alerta del satélite Fermi-LAT que mostraba una actividad inusualmente alta en el rango de rayos gamma de baja energía, confirmada también en el rango óptico con diferentes instrumentos. Con solo cuatro días de datos, la Colaboración LST pudo detectar la fuente por encima de los 100 Gigaelectronvoltios (GeV), un nivel de energía mil millones de veces mayor que la luz visible que los humanos pueden percibir.

«Cuando hay un aumento de la actividad en el rango óptico existe una alta probabilidad de que la emisión en muy altas energías también se incremente», explica Jorge Otero-Santos, investigador en el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) y uno de los autores principales del análisis del LST-1. «Esta correlación entre la emisión óptica y la gamma aún no se comprende bien. Este hecho, unido a la señal recibida por Fermi-LAT,  nos llevó a tomar la decisión de observar OP 313 con el LST-1».

El telescopio LST-1, en La Palma. Imagen: CTAO gGmbH

Dificultad de observación a energías muy altas

En general, este tipo de AGN son muy difíciles de detectar a muy altas energías. Esto se debe no solo a que el brillo de su disco de acreción debilita la emisión de rayos gamma, sino a que, además, son objetos muy distantes. En este caso, OP 313 se encuentra unos ocho mil millones de años luz de distancia, lo que lo convierte en el AGN más distante y la segunda fuente más distante jamás detectada a muy altas energías.

Cuanto más distante es la fuente, más difícil es observarla a energías muy altas debido a la llamada Luz de Fondo Extragaláctica o EBL (conocida así por sus siglas en inglés). La EBL es el conjunto de luz emitida por todos los objetos fuera de la Vía Láctea que se expande a través de múltiples longitudes de onda, desde luz visible, infrarroja y ultravioleta. La EBL interactúa con los rayos gamma de muy alta energía, atenuando su flujo y, por tanto, dificultando su observación. Las características del LST-1, con una sensibilidad optimizada para el rango de baja energía del CTAO, entre 20 y 150 GeV, donde los rayos gamma se ven menos afectados por la EBL, permitieron a la Colaboración LST ampliar el estudio de esta fuente a decenas de GeV por primera vez.

«Solamente se conocen nueve cuásares en energías muy altas, y ahora OP 313 es el décimo», indica Daniel Morcuende, investigador del IAA-CSIC y uno de los autores principales de los resultados del LST-1. «Dadas sus características, es una fuente muy interesante porque nos permitirá comprender mejor la EBL, estudiar los campos magnéticos dentro de este tipo de fuente o adentrarnos en la física intergaláctica fundamental»

Es fundamental complementar esta detección en muy altas energías con observaciones en el resto de longitudes de onda. «Para ello se ha coordinado con el Observatorio de Sierra Nevada (OSN) un seguimiento del objeto en el rango óptico para caracterizar lo mejor posible su emisión en todo el espectro electromagnético», declara Jorge Otero-Santos, coordinador de las observaciones ópticas de OP 313.

La Colaboración LST seguirá observando esta fuente con el LST-1 para ampliar el conjunto de datos y, así, obtener un análisis más preciso que permita a los científicos mejorar su comprensión de la EBL.

El IAA-CSIC es miembro de pleno derecho de los Consorcios CTA-International y CTA-Spain desde 2016. El consorcio CTA-Spain, formado por 11 instituciones españolas y 115 investigadores y tecnólogos, es uno de los principales contribuyentes a la construcción del Observatorio CTAO. Seis investigadores y tecnólogos de tres grupos de investigación diferentes forman el grupo del CTAO del IAA-CSIC y participan tanto en las labores científicas de preparación para las futuras observaciones astronómicas de CTAO como en su construcción. La contribución del IAA-CSIC a la construcción del CTAO está relacionada con el desarrollo de software, modelos de datos y normalización de los procedimientos de análisis, un trabajo orientado a proporcionar los datos del CTAO a una comunidad astronómica más amplia.

Sobre el LST

El Large-Sized Telescope (LST) es uno de los tres tipos de telescopios que se construirán para cubrir todo el rango de energía del CTAO (20 GeV – 300 TeV). Se instalarán cuatro LSTs en el centro del conjunto del hemisferio norte en La Palma, y se planean dos más en el conjunto del hemisferio sur. Estos telescopios están optimizados para cubrir la sensibilidad de baja energía entre 20 y 150 GeV. Cada LST es un telescopio gigante de 23 metros de diámetro con un área de espejo de unos 400 metros cuadrados y una cámara pixelada formada por 1855 sensores de luz capaces de detectar fotones individuales con alta eficiencia.

Aunque el LST mide 45 metros de altura y pesa alrededor de 100 toneladas, es extremadamente ágil y tiene la capacidad de reposicionarse en 20 segundos para capturar señales breves de rayos gamma de baja energía. Tanto la rápida velocidad de reposicionamiento como el bajo umbral de energía proporcionado por los LST son fundamentales para los estudios de fuentes transitorias de rayos gamma en nuestra propia galaxia y para el estudio de núcleos galácticos activos y estallidos de rayos gamma con alto corrimiento al rojo. El prototipo del LST, el LST-1, está construido en CTAO-North y actualmente se encuentra en puesta en marcha. Se espera que se convierta en el primer telescopio del CTAO una vez que se complete su puesta en servicio y haya sido aceptado oficialmente.

La Colaboración LST está formada por más de 400 científicos e ingenieros de 67 instituciones diferentes en doce países. Las operaciones y el mantenimiento del telescopio, así como la toma de datos, el análisis y las publicaciones técnicas y científicas, solo son posibles gracias al esfuerzo colaborativo de toda la Colaboración LST.

Sobre el CTAO

El Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) será el primer observatorio terrestre de rayos gamma abierto a la comunidad científica y el instrumento más grande y sensible del mundo para la exploración del Universo a altas energías. La precisión incomparable y el amplio rango de energía (20 GeV-300 TeV) del CTAO proporcionarán conocimientos novedosos sobre los eventos más extremos y poderosos del Cosmos, abordando cuestiones dentro y fuera de la astrofísica que se enmarcan en tres temas principales: Comprender el origen y el papel de las partículas cósmicas relativistas, estudiar los entornos extremos (como agujeros negros y estrellas de neutrones) y explorar fronteras en la física (como la naturaleza de la materia oscura).

Para ello, el CTAO utilizará tres tipos de telescopios: los Large-Sized Telescopes (LST), los Medium-Sized Telescopes (MST) y los Small-Sized Telescopes (SST). Más de 60 telescopios se distribuirán entre dos conjuntos de telescopios: CTAO-Norte en el hemisferio norte en el Observatorio del Roque de los Muchachos del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) en La Palma (España), y CTAO-Sur en el hemisferio sur cerca del Observatorio de Paranal del Observatorio Europeo Austral (ESO) en el desierto de Atacama (Chile).

La sede del CTAO está alojada en el Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) en Bolonia (Italia), y el Centro de Gestión de Datos Científicos (SDMC) está alojado en el Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) en Zeuthen (Alemania). El CTAO también será el primer observatorio de su tipo abierto a las comunidades científicas de todo el mundo como recurso para obtener datos de observaciones astronómicas únicas y de alta energía.

El CTAO gGmbH trabaja en estrecha colaboración con socios de todo el mundo para el desarrollo del Observatorio. Los socios principales incluyen equipos de contribuciones en especie, como los equipos de telescopios que están desarrollando hardware y software esenciales, además del CTAC, un grupo internacional de investigadores que han brindado orientación científica desde el inicio del proyecto.

El CTAO fue ascendido a Hito en la Hoja de Ruta 2018 del Foro Europeo sobre Infraestructuras de Investigación (ESFRI), y fue clasificado como la principal prioridad entre las nuevas infraestructuras terrestres en la Hoja de Ruta ASTRONET 2022-2035.