ومضة أشعة غاما من عام 1991 ترنّ كنجم مغناطيسي

في 11 يوليو 1991، سجّل جهاز BATSE على متن مرصد كومبتون لأشعة غاما ومضة من أشعة غاما. ووُصف GRB 910711 بأنه أقصر انفجار رصدته البعثة: ذروة ساطعة تدوم نحو 10 أجزاء من الألف من الثانية، ثم ذيل خافت يدوم من 100 إلى 200 جزء من الألف من الثانية. وفي عام 2023، جعله تحليلٌ لـ724 انفجارًا قصيرًا أقوى مرشّح لـتذبذبات بالكيلوهرتز — سطوع يرتفع وينخفض آلاف المرات في الثانية — قُرئت على أنها حركات نجم نيوتروني «فائق الكتلة» خلّفه اندماج.

مشتبه بهما لومضة قصيرة واحدة

لانفجارات أشعة غاما القصيرة مصدران محتملان: اندماج نجوم مدمجة، أو توهّج عملاق من نجم مغناطيسي (magnetar)، وهو نجم نيوتروني ذو مجال مغناطيسي فائق الشدّة. وبعض التوهّجات العملاقة القادمة من مجرّات أخرى تشبه انفجارات الاندماج في مدّتها وفي طاقة ضوئها؛ ومن دون موقع دقيق في السماء، يصعب التمييز بينهما. ويبلغ عدم اليقين في موقع GRB 910711 نحو 6 درجات.

انطلق Run-Chao Chen وBin-Bin Zhang (جامعة نانجينغ)، وOre Gottlieb (معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا)، وخمسة زملاء آخرون، من تناقض في قراءة الاندماج.

ضوء أقسى من أن يحمل نبضًا

يتطابق طيف GRB 910711 مع الجسم الأسود — أي توهّج جسم حار معتم — بقدر ما يتطابق تقريبًا مع الشكل الذي يُطابَق عادةً مع انفجارات الاندماج. ومع ذلك الشكل الثاني، يبدو «قاسيًا» على نحو غير معتاد — أي مائلًا نحو الفوتونات العالية الطاقة — عند الطرف الأقصى من الانفجارات التي قاسها BATSE.

والحلّ الطبيعي: ضوء ينبثق من غلاف ضوئي (photosphere)، وهو الطبقة التي تُطلق عندها سحابة معتمة ضوءها. لكن هناك يخرج الضوء بعيدًا عن المحرّك المركزي، بعد تشتّتات كثيرة. ونبض بالكيلوهرتز يفرضه نجم نيوتروني في المركز سيحتاج إلى آلية إضافية كي ينجو من الرحلة، أو كي يُعاد بناؤه في طريق الخروج.

توأم أخفت لتوهّج معروف

مرجعهم هو GRB 200415A، المسجَّل في 15 أبريل 2020: توهّج عملاق من نجم مغناطيسي في المجرّة القريبة NGC 253، على بعد 3.5 ميغافرسخ فلكي، والميغافرسخ هو وحدة الفلكيين لقياس المسافات بين المجرّات.

وحين تُحاذى المنحنيان الضوئيان على ذروتيهما، يبدوان متشابهين: الذروة نفسها التي تدوم 10 أجزاء من الألف من الثانية، والذيل الأضعف نفسه، وتفاصيل قصيرة تصل إلى نحو 90 ميكروثانية — أي أجزاء من المليون من الثانية — في 1991، و65 في 2020. ونموذج لتوهّج 2020، جُعل ببساطة أخفت كأنه وقع على بعد أكبر، يعيد إنتاج شكل انفجار 1991. ويشدّد المؤلفون على أن ذلك توضيح، لا قياس للمسافة.

توافقيات لنحو 360 هرتز

داخل الذروة، يجد الفريق نتوءًا عند 360 هرتز — أي 360 مرة في الثانية — في انفجار 1991، وعند 350 هرتز في 2020. وعلى مدى 10 أجزاء من الألف من الثانية، لا يمكن الفصل بين تردّدات يقلّ الفرق بينها عن نحو 100 هرتز: فالنتوءان لا يمكن تمييز أحدهما من الآخر.

وتُظهر خرائط الإيقاع مقابل الزمن قممًا تضيء عند مضاعفات صحيحة لـ360 هرتز، كالتوافقيات العليا لنغمة واحدة: 1 و3 و5 و6 و11 مرة 360 في GRB 910711؛ و2 و4 و6 و12 مرة في GRB 200415A. ويشترك الاثنان في المضاعف السادس، نحو 2,160 هرتز، القريب من تذبذب سبق الإبلاغ عنه في توهّج 2020.

ويتحقّق الطيف الثنائي (bispectrum) ممّا إذا كانت التذبذبات مقترنة: فالتذبذبات المقترنة تولّد قدرة عند مجموع تردّداتها. وفي توهّج 2020، تتوافق المركّبة ذات 4,320 هرتز مع مركّبتين مقترنتين عند 2,160 هرتز، تتوافقان بدورهما مع اقتران 720 و1,440 هرتز.

100,000 انفجار مزيّف

لاختبار المصادفة، صنع الفريق لكل انفجار 100,000 منحنى ضوئي مزيّف لها شكل الذروة نفسه وضوضاء عدّ الفوتونات نفسها، لكن من دون أي تذبذب. فظهر نتوء 360 هرتز بالقوة نفسها على الأقل في نحو 5% منها بالنسبة إلى GRB 910711، و0.1% بالنسبة إلى GRB 200415A. وحين حملت المنحنيات المزيّفة أيضًا تذبذبات الكيلوهرتز التي سبق الإبلاغ عنها وضوضاء خلفية أكثر واقعية، ارتفعت هاتان النسبتان إلى 15.5% و33.4%: فالنتوء المنخفض وحده يصبح أقل إثارة للدهشة.

أما التوافقيات فلم تُختبر إلا مقابل منحنيات مزيّفة خالية من التذبذبات، وهي تصمد هناك. فالفرق الصغير في التردّد الأساسي يتضاعف عند كل توافقية، لذا يختبره النمط بدقة أكبر مما يفعل النتوء وحده. وبالمسح من 260 إلى 460 هرتز، يفضّل الانفجاران كلاهما نحو 360 هرتز؛ أما المنحنيات المزيّفة فلا. ومقارنةً بمنحنيات مزيّفة خالية من التذبذبات، لم تُبلَغ القوة المجمّعة للاقترانات إلا 1.3 مرة من كل 10,000 بالنسبة إلى GRB 910711، و4.5 مرة بالنسبة إلى GRB 200415A.

سبع عشرة مجرّة مرشّحة

على أي مسافة، سيكون GRB 910711 أخفت من اللازم بالنسبة إلى طاقة ضوئه، مقارنةً بانفجارات الاندماج المعروفة. أما بوصفه توهّجًا عملاقًا فهو يتّسق، إن كان على بعد لا يتجاوز نحو 55 ميغافرسخ، أي أبعد بنحو 16 مرة من NGC 253. وفي هذا النطاق وفي رقعته من السماء، يُدرج الفريق 17 مجرّة، أقربها على بعد نحو 9.1 ميغافرسخ، وكلها مصنّفة مجرّات يغلب عليها تكوين النجوم. وإن صمدت هذه القراءة، فإن BATSE قد رصد عام 1991 أول توهّج عملاق له من مجرّة أخرى.

ما الذي قد يرنّ عند 360 هرتز

في التوهّجات العملاقة الصادرة من مجرّتنا، ظهرت التذبذبات السريعة في الذيول الخافتة، لا في الذروة؛ ونُسب أحدها، عند نحو 625 هرتز، إلى اهتزاز في قشرة النجم. وبموجب بعض الافتراضات، قد يقع قرب 360 هرتز، لكنه يتوقّف على باطن كل نجم وعلى مجاله المغناطيسي: فاشتراك نجمين مغناطيسيين فيه سيكون مصادفة. وأكثر تخمينًا من ذلك اهتزاز عند الحدّ الذي تتحوّل فيه المادة النووية إلى مادة كواركية في أعماق اللبّ: فتردّده، بين 100 و1,000 هرتز، يتوقّف أساسًا على الفيزياء النووية، وقليلًا على كتلة النجم. أما كيف سيشكّل أيّ اهتزاز من هذا القبيل ضوء الذروة، فيبقى غير مؤكّد.

نبض يُسمَع في أشعة غاما وحدها

يكتب المؤلفون أن النتائج «لا تُثبت على نحو قاطع وحيد» أصلًا مغناطيسيًا نجميًا، لكنها تجعله «التفسير الأكثر اقتصادًا»: إذ على الاندماج أن يفسّر في آن واحد الطيف القاسي، ونبضًا يعبر الغلاف الضوئي، والشبه بتوهّج 2020، والتوافقيات المشتركة. وإن ظهرت توافقيات كهذه في انفجارات قصيرة مستقبلية، فقد تساعد أشعة غاما وحدها على التمييز بين التوهّجات والاندماجات، في الوقت المناسب للتخطيط لأرصاد المتابعة. ويبقى لـGRB 910711 رقعة من السماء عرضها 6 درجات، و17 مجرّة مرشّحة، ونبض قرب 360 هرتز.