درخشش پرتو گامای 1991 مانند یک مگنتار طنین می‌اندازد

در 11 ژوئیهٔ 1991، ابزار BATSE بر روی رصدخانهٔ پرتو گامای کامپتون (Compton Gamma Ray Observatory) درخششی از پرتو گاما را ثبت کرد. GRB 910711 به‌عنوان کوتاه‌ترین انفجاری که این مأموریت دیده بود گزارش شد: قله‌ای درخشان به مدت حدود 10 میلی‌ثانیه و سپس دنباله‌ای کم‌نور به مدت 100 تا 200 میلی‌ثانیه. در 2023، تحلیل 724 انفجار کوتاه آن را به قوی‌ترین نامزد برای نوسان‌های کیلوهرتزی (kilohertz oscillations) — درخشندگی‌ای که هزاران بار در ثانیه بالا و پایین می‌رود — تبدیل کرد که به‌عنوان حرکت‌های یک ستارهٔ نوترونی «ابرپرجرم» (hypermassive) بازمانده از یک ادغام تعبیر شد.

دو مظنون برای یک درخشش کوتاه

انفجارهای کوتاه پرتو گاما دو منشأ ممکن دارند: ادغام ستاره‌های فشرده، یا فوران غول‌آسای یک مگنتار (magnetar giant flare)، ستارهٔ نوترونی‌ای با میدان مغناطیسی فوق‌العاده قوی. برخی فوران‌های غول‌آسا از کهکشان‌های دیگر از نظر مدت و انرژی نورشان به انفجارهای ادغامی شبیه‌اند؛ بدون موقعیت دقیق در آسمان، تشخیص این دو دشوار است. موقعیت GRB 910711 حدود 6 درجه عدم قطعیت دارد.

Run-Chao Chen و Bin-Bin Zhang (دانشگاه نانجینگ)، Ore Gottlieb (مؤسسهٔ فناوری ماساچوست) و پنج همکار از یک ناسازگاری در تعبیر ادغامی آغاز کردند.

نوری سخت‌تر از آن‌که تپشی را حمل کند

طیف GRB 910711 تقریباً به همان خوبی با یک جسم سیاه (blackbody) — تابش یک جسم داغ و کدر — برازش می‌شود که با شکلی که معمولاً برای انفجارهای ادغامی برازش می‌شود. با آن شکل دوم، طیف به‌طور غیرعادی «سخت» (hard) — متمایل به فوتون‌های پرانرژی — از آب درمی‌آید، در منتهی‌الیه انفجارهایی که BATSE اندازه گرفته است.

راه‌حل طبیعی: نوری که از یک شیدسپهر (photosphere)، لایه‌ای که ابری کدر نورش را در آن رها می‌کند، بیرون می‌آید. اما آنجا نور دور از موتور مرکزی و پس از پراکندگی‌های بسیار بیرون می‌آید. تپشی کیلوهرتزی که یک ستارهٔ نوترونی در مرکز تعیین کرده باشد، برای جان به در بردن از این سفر یا بازسازی‌شدن در مسیر بیرون، به سازوکاری اضافی نیاز دارد.

همزادی کم‌نورتر برای فورانی شناخته‌شده

معیار مقایسهٔ آن‌ها GRB 200415A است که در 15 آوریل 2020 ثبت شد: فوران غول‌آسای یک مگنتار از کهکشان نزدیک NGC 253، در فاصلهٔ 3.5 مگاپارسک — مگاپارسک یکای ستاره‌شناسان برای فاصله‌های میان کهکشان‌هاست.

اگر بر روی قله‌هایشان هم‌تراز شوند، دو منحنی نوری شبیه هم‌اند: همان قلهٔ 10 میلی‌ثانیه‌ای، همان دنبالهٔ ضعیف‌تر، و ساختارهایی به کوتاهی حدود 90 میکروثانیه — میلیونیم ثانیه — در 1991 و 65 در 2020. مدلی از فوران 2020 که صرفاً کم‌نورتر شده باشد، گویی در فاصلهٔ دورتری رخ داده، شکل انفجار 1991 را بازتولید می‌کند. نویسندگان تأکید می‌کنند که این یک نمونهٔ توضیحی است، نه اندازه‌گیری فاصله.

هماهنگ‌های حدود 360 هرتز

درون قله، گروه برآمدگی‌ای در 360 هرتز — 360 بار در ثانیه — در انفجار 1991 و در 350 هرتز در 2020 می‌یابد. در مدت 10 میلی‌ثانیه، بسامدهایی که کمتر از حدود 100 هرتز با هم فاصله دارند از هم تشخیص‌دادنی نیستند: این دو برآمدگی از هم بازشناختنی نیستند.

نقشه‌های ضرباهنگ بر حسب زمان، قله‌هایی را نشان می‌دهند که در مضرب‌های درست 360 هرتز روشن می‌شوند، مانند هماهنگ‌های یک نت: 1، 3، 5، 6 و 11 برابر 360 در GRB 910711؛ 2، 4، 6 و 12 برابر در GRB 200415A. هر دو هماهنگ ششم، حدود 2,160 هرتز، را مشترک دارند که به نوسانی که پیش‌تر در فوران 2020 گزارش شده بود نزدیک است.

دوطیف (bispectrum) بررسی می‌کند که آیا نوسان‌ها جفت‌شده‌اند: نوسان‌های جفت‌شده در مجموع بسامدهایشان توان پدید می‌آورند. در فوران 2020، مؤلفهٔ 4,320 هرتزی با دو مؤلفهٔ جفت‌شده در 2,160 هرتز جور است که خودشان با 720 و 1,440 هرتزِ جفت‌شده جورند.

100,000 انفجار جعلی

برای آزمودن نقش تصادف، گروه برای هر انفجار 100,000 منحنی نوری جعلی با همان شکل قله و همان نوفهٔ شمارش فوتون، اما بی هیچ نوسانی، ساخت. برآمدگی 360 هرتزی برای GRB 910711 در حدود 5% آن‌ها و برای GRB 200415A در 0.1% آن‌ها دست‌کم به همان قوت ظاهر شد. وقتی جعلی‌ها نوسان‌های کیلوهرتزیِ پیش‌تر گزارش‌شده و نوفهٔ زمینه‌ای واقع‌بینانه‌تری را هم داشتند، این ارقام به 15.5% و 33.4% رسید: برآمدگی پایین به تنهایی کمتر غیرمنتظره می‌شود.

هماهنگ‌ها تنها در برابر جعلی‌های بی‌نوسان آزموده شدند و در آنجا محکم می‌مانند. تفاوتی کوچک در بسامد پایه در هر هماهنگ ضرب می‌شود، پس این الگو آن را بسیار دقیق‌تر از برآمدگی تنها می‌آزماید. در پیمایش از 260 تا 460 هرتز، هر دو انفجار حدود 360 هرتز را ترجیح می‌دهند؛ جعلی‌ها نه. در برابر جعلی‌های بی‌نوسان، قدرت ترکیبی جفت‌شدگی‌ها برای GRB 910711 تنها 1.3 بار در 10,000 و برای GRB 200415A 4.5 بار به دست آمد.

هفده کهکشان نامزد

GRB 910711 در هر فاصله‌ای، در مقایسه با انفجارهای ادغامی شناخته‌شده، برای انرژی نورش بیش از حد کم‌نور می‌بود. به‌عنوان یک فوران غول‌آسا جور درمی‌آید، اگر در فاصلهٔ حدود 55 مگاپارسکی باشد، حدود 16 برابر دورتر از NGC 253. در این گستره و در آن تکه از آسمان، گروه 17 کهکشان را فهرست می‌کند که نزدیک‌ترینشان در حدود 9.1 مگاپارسکی است و همگی عمدتاً ستاره‌زا رده‌بندی شده‌اند. اگر این تعبیر درست باشد، BATSE نخستین فوران غول‌آسایش از کهکشانی دیگر را در 1991 ثبت کرده است.

چه چیزی می‌تواند در 360 هرتز طنین بیندازد

در فوران‌های غول‌آسای کهکشان ما، نوسان‌های سریع در دنباله‌های رو به خاموشی ظاهر شدند، نه در قله؛ یکی از آن‌ها، در حدود 625 هرتز، به لرزشی در پوستهٔ ستاره نسبت داده شد. تحت برخی فرض‌ها ممکن است نزدیک 360 هرتز بیفتد، اما به درون و میدان مغناطیسی هر ستاره بستگی دارد: اشتراک آن میان دو مگنتار تصادف می‌بود. گمانه‌زنانه‌تر، لرزشی است در مرزی که در ژرفای هسته، مادهٔ هسته‌ای به مادهٔ کوارکی (quark matter) تبدیل می‌شود: بسامد آن، میان 100 و 1,000 هرتز، عمدتاً به فیزیک هسته‌ای و اندکی به جرم ستاره بستگی دارد. اینکه چنین لرزشی چگونه نور قله را شکل می‌دهد، همچنان نامعلوم است.

تپشی که تنها در پرتوهای گاما شنیده شد

نویسندگان می‌نویسند نتایج منشأ مگنتاری را «به‌طور یگانه اثبات نمی‌کنند»، اما آن را «تعبیر مقرون‌به‌صرفه‌تر» می‌سازند: یک ادغام باید طیف سخت، تپشی که از شیدسپهر گذشته، شباهت به فوران 2020 و هماهنگ‌های مشترک را همه با هم توضیح دهد. اگر چنین هماهنگ‌هایی در انفجارهای کوتاه آینده پیدا شوند، پرتوهای گاما به تنهایی می‌توانند به تشخیص فوران‌ها از ادغام‌ها کمک کنند، آن هم به‌موقع برای برنامه‌ریزی رصدهای پیگیری. GRB 910711 همچنان تکه‌ای 6 درجه‌ای از آسمان، 17 کهکشان نامزد و تپشی نزدیک 360 هرتز را در اختیار دارد.