EIN GAMMABLITZ VON 1991 KLINGT WIE EIN MAGNETAR

Am 11. Juli 1991 zeichnete das Instrument BATSE an Bord des Compton Gamma Ray Observatory einen Gammastrahlenblitz auf. GRB 910711 wurde als der kürzeste Ausbruch gemeldet, den die Mission je gesehen hatte: eine helle Spitze von etwa 10 Millisekunden, dann ein schwacher Ausläufer von 100 bis 200 Millisekunden. 2023 machte ihn eine Analyse von 724 kurzen Ausbrüchen zum stärksten Kandidaten für Kilohertz-Oszillationen – eine Helligkeit, die Tausende Male pro Sekunde steigt und fällt –, gedeutet als die Bewegungen eines „hypermassiven“ Neutronensterns, der nach einer Verschmelzung zurückbleibt.

Zwei Verdächtige für einen kurzen Blitz

Kurze Gammastrahlenausbrüche haben zwei mögliche Quellen: eine Verschmelzung kompakter Sterne oder einen Riesenausbruch eines Magnetars, eines Neutronensterns mit extrem starkem Magnetfeld. Manche Riesenausbrüche aus anderen Galaxien ähneln Verschmelzungsausbrüchen in Dauer und Energie ihres Lichts; ohne genaue Position am Himmel lassen sich die beiden schwer unterscheiden. Die Position von GRB 910711 ist auf etwa 6 Grad unsicher.

Run-Chao Chen und Bin-Bin Zhang (Universität Nanjing), Ore Gottlieb (Massachusetts Institute of Technology) und fünf Kollegen gingen von einem Widerspruch in der Deutung als Verschmelzung aus.

Zu hartes Licht, um einen Takt zu tragen

Das Spektrum von GRB 910711 lässt sich durch einen Schwarzkörper – das Leuchten eines heißen, undurchsichtigen Körpers – etwa ebenso gut anpassen wie durch die Form, die üblicherweise an Verschmelzungsausbrüche angepasst wird. Mit dieser zweiten Form erscheint es ungewöhnlich „hart“ – zu energiereichen Photonen hin gewichtet –, am äußersten Ende der Ausbrüche, die BATSE gemessen hat.

Die naheliegende Lösung: Licht, das aus einer Photosphäre austritt, der Schicht, in der eine undurchsichtige Wolke ihr Licht freigibt. Doch dort tritt das Licht weit vom zentralen Motor entfernt aus, nach vielen Streuungen. Ein von einem Neutronenstern im Zentrum vorgegebener Kilohertz-Takt bräuchte einen zusätzlichen Mechanismus, um die Reise zu überstehen oder auf dem Weg nach draußen neu aufgebaut zu werden.

Ein schwächerer Zwilling eines bekannten Ausbruchs

Ihr Vergleichsmaßstab ist GRB 200415A, aufgezeichnet am 15. April 2020: ein Magnetar-Riesenausbruch aus der nahen Galaxie NGC 253 in 3,5 Megaparsec Entfernung – das Megaparsec ist die Einheit der Astronomen für Entfernungen zwischen Galaxien.

Auf ihre Spitzen ausgerichtet, sehen sich die beiden Lichtkurven ähnlich: dieselbe Spitze von 10 Millisekunden, derselbe schwächere Ausläufer, Strukturen von nur etwa 90 Mikrosekunden – Millionstel einer Sekunde – im Jahr 1991 und 65 im Jahr 2020. Ein Modell des Ausbruchs von 2020, einfach schwächer gemacht, als wäre er weiter entfernt erfolgt, gibt die Form des Ausbruchs von 1991 wieder. Eine Veranschaulichung, betonen die Autoren, keine Entfernungsmessung.

Obertöne von etwa 360 Hertz

Innerhalb der Spitze findet das Team einen Buckel bei 360 Hertz – 360-mal pro Sekunde – im Ausbruch von 1991 und bei 350 Hertz im Jahr 2020. Über 10 Millisekunden lassen sich Frequenzen, die näher als etwa 100 Hertz beieinanderliegen, nicht unterscheiden: Die beiden Buckel sind ununterscheidbar.

Karten des Rhythmus gegen die Zeit zeigen Spitzen, die bei ganzzahligen Vielfachen von 360 Hertz aufleuchten, wie die Obertöne eines einzigen Tons: das 1-, 3-, 5-, 6- und 11-Fache von 360 bei GRB 910711; das 2-, 4-, 6- und 12-Fache bei GRB 200415A. Beide teilen den sechsten, etwa 2.160 Hertz, nahe an einer bereits für den Ausbruch von 2020 gemeldeten Oszillation.

Das Bispektrum prüft, ob Oszillationen gekoppelt sind: Gekoppelte Oszillationen erzeugen Leistung bei der Summe ihrer Frequenzen. Im Ausbruch von 2020 entspricht die 4.320-Hertz-Komponente zwei gekoppelten Komponenten bei 2.160 Hertz, die ihrerseits gekoppelten 720 und 1.440 Hertz entsprechen.

100.000 gefälschte Ausbrüche

Um den Zufall zu prüfen, erzeugte das Team für jeden Ausbruch 100.000 künstliche Lichtkurven mit derselben Spitzenform und demselben Photonenzählrauschen, aber ohne Oszillation. Der 360-Hertz-Buckel trat bei etwa 5 % davon für GRB 910711 mindestens ebenso stark auf, bei 0,1 % für GRB 200415A. Enthielten die Fälschungen auch die bereits gemeldeten Kilohertz-Oszillationen und ein realistischeres Hintergrundrauschen, stiegen diese Werte auf 15,5 % und 33,4 %: Für sich genommen wird der tiefe Buckel weniger unerwartet.

Die Obertöne wurden nur gegen Fälschungen ohne Oszillationen geprüft und halten dort stand. Ein kleiner Unterschied in der Grundfrequenz vervielfacht sich bei jedem Oberton, sodass das Muster sie feiner prüft als der Buckel allein. Bei einem Durchlauf von 260 bis 460 Hertz bevorzugen beide Ausbrüche etwa 360 Hertz; die Fälschungen nicht. Gegenüber Fälschungen ohne Oszillationen wurde die kombinierte Stärke der Kopplungen nur 1,3-mal in 10.000 für GRB 910711 erreicht und 4,5-mal für GRB 200415A.

Siebzehn Kandidatengalaxien

In jeder Entfernung wäre GRB 910711 im Vergleich zu bekannten Verschmelzungsausbrüchen für die Energie seines Lichts zu schwach. Als Riesenausbruch passt er, wenn er innerhalb von etwa 55 Megaparsec liegt, rund 16-mal weiter entfernt als NGC 253. In diesem Bereich und in seinem Himmelsausschnitt listet das Team 17 Galaxien auf, die nächste in etwa 9,1 Megaparsec Entfernung, alle als überwiegend sternbildend eingestuft. Trifft die Deutung zu, hat BATSE 1991 seinen ersten Riesenausbruch aus einer anderen Galaxie erfasst.

Was bei 360 Hertz schwingen könnte

Bei Riesenausbrüchen aus unserer Galaxis traten schnelle Oszillationen in den abklingenden Ausläufern auf, nicht in der Spitze; eine davon, bei etwa 625 Hertz, wurde einer Schwingung der Sternkruste zugeschrieben. Unter manchen Annahmen könnte sie nahe 360 Hertz liegen, doch sie hängt vom Inneren und vom Magnetfeld jedes Sterns ab: Dass zwei Magnetare sie teilen, wäre ein Zufall. Spekulativer ist eine Schwingung an der Grenze, an der Kernmaterie tief im Kern in Quarkmaterie übergeht: Ihre Frequenz, zwischen 100 und 1.000 Hertz, hängt vor allem von der Kernphysik ab und kaum von der Masse des Sterns. Wie eine solche Schwingung das Licht der Spitze formen würde, bleibt unsicher.

Ein Takt, allein in der Gammastrahlung gehört

Die Ergebnisse „belegen nicht eindeutig“ einen Magnetar-Ursprung, schreiben die Autoren, machen ihn aber zur „sparsameren Deutung“: Eine Verschmelzung muss das harte Spektrum, einen Takt, der die Photosphäre durchquert, die Ähnlichkeit mit dem Ausbruch von 2020 und die gemeinsamen Obertöne alle zugleich erklären. Tauchen solche Obertöne in künftigen kurzen Ausbrüchen auf, könnte die Gammastrahlung allein helfen, Ausbrüche von Verschmelzungen zu unterscheiden, rechtzeitig, um Folgebeobachtungen zu planen. GRB 910711 bleiben ein Himmelsausschnitt von 6 Grad, 17 Kandidatengalaxien und ein Takt nahe 360 Hertz.