1991年のガンマ線の閃光は、マグネターのように鳴っている

1991年7月11日、コンプトンガンマ線観測衛星に搭載されたBATSE検出器が、ガンマ線の閃光を記録した。GRB 910711は、このミッションが観測した中で最も短いバーストとして報告された。約10ミリ秒の明るいスパイクのあとに、100〜200ミリ秒のかすかな尾が続くものだ。2023年、724個の短いバーストを解析した研究により、このバーストはキロヘルツ振動（明るさが毎秒数千回上下すること）の最有力候補とされた。そしてその振動は、合体のあとに残された「超大質量」中性子星の運動だと解釈された。

1つの短い閃光に、2人の容疑者

短いガンマ線バーストには、考えられる源が2つある。コンパクト星どうしの合体か、超強力な磁場をもつ中性子星であるマグネターの巨大フレアだ。ほかの銀河から届く巨大フレアの中には、継続時間や光のエネルギーが合体によるバーストに似ているものがある。天球上の正確な位置がわからなければ、両者を見分けるのは難しい。GRB 910711の位置には、約6度の不確かさがある。

Run-Chao ChenとBin-Bin Zhang（南京大学）、Ore Gottlieb（マサチューセッツ工科大学）、そして5人の共同研究者は、合体という解釈がはらむ矛盾から出発した。

脈動を運ぶには硬すぎる光

GRB 910711のスペクトルは、黒体（高温で不透明な物体が放つ光）でも、合体によるバーストに通常あてはめられる形と同じくらいよく再現できる。後者の形であてはめると、このスペクトルは異常に「硬い」、つまり高エネルギーの光子に偏っており、BATSEが測定したバーストの中でも極端な部類に入る。

自然な解決策は、光が光球（不透明な雲が光を外へ逃がす層）から出てくると考えることだ。しかしその場合、光は中心のエンジンから遠く離れた場所で、何度も散乱されたあとに出てくる。中心にある中性子星が刻むキロヘルツの脈動がこの旅を生き延びるには、あるいは外へ出る途中で再構築されるには、何らかの追加の仕組みが必要になる。

既知のフレアの、より暗い双子

比較の基準となるのは、2020年4月15日に記録されたGRB 200415Aだ。これは、3.5メガパーセク離れた近くの銀河NGC 253で起きたマグネターの巨大フレアである。メガパーセクは、天文学者が銀河間の距離に使う単位だ。

ピークをそろえると、2つの光度曲線はよく似ている。同じ10ミリ秒のスパイク、同じように弱い尾。そして、マイクロ秒（100万分の1秒）単位のごく短い構造が、1991年には約90マイクロ秒、2020年には65マイクロ秒の長さで現れる。2020年のフレアのモデルを、もっと遠くで起きたかのように単に暗くするだけで、1991年のバーストの形が再現される。ただし著者らは、これは例示であって距離の測定ではないと強調している。

約360ヘルツの倍音

スパイクの内部に、研究チームは1991年のバーストで360ヘルツ（毎秒360回）に、2020年には350ヘルツに、それぞれ盛り上がりを見つけた。10ミリ秒の長さでは、約100ヘルツより近い周波数は区別できない。つまり、2つの盛り上がりは見分けがつかない。

リズムを時間に対して描いた地図では、1つの音の倍音のように、360ヘルツの整数倍のところでピークが光る。GRB 910711では360の1倍、3倍、5倍、6倍、11倍、GRB 200415Aでは2倍、4倍、6倍、12倍だ。両者は6倍音、約2,160ヘルツを共有しており、これは2020年のフレアですでに報告されていた振動に近い。

バイスペクトルは、振動どうしが結びついているかどうかを調べる手法だ。結びついた振動は、それぞれの周波数の和のところにパワーを生み出す。2020年のフレアでは、4,320ヘルツの成分が、2,160ヘルツの2つの成分の結びつきに対応している。そしてその2,160ヘルツの成分自体が、720ヘルツと1,440ヘルツの結びつきに対応している。

10万個の偽のバースト

偶然の可能性を調べるため、チームはそれぞれのバーストについて、同じスパイクの形と光子計数のノイズをもつが振動を含まない偽の光度曲線を10万個つくった。360ヘルツの盛り上がりが同じかそれ以上の強さで現れたのは、GRB 910711では約5%、GRB 200415Aでは0.1%だった。偽のデータにすでに報告されているキロヘルツ振動と、より現実的な背景ノイズも含めると、この数字は15.5%と33.4%に上がった。低い周波数の盛り上がりだけを見れば、それほど意外なものではなくなる。

倍音は、振動を含まない偽のデータとしか比べられていないが、その比較には持ちこたえる。基本周波数のわずかな違いは倍音ごとに掛け算で大きくなるため、このパターンは盛り上がり単独よりも細かく基本周波数を検証できる。260ヘルツから460ヘルツまで走査すると、どちらのバーストも約360ヘルツを好むが、偽のデータはそうならない。振動を含まない偽のデータと比べると、結びつきを合わせた強さに達したのは、GRB 910711では1万回に1.3回、GRB 200415Aでは1万回に4.5回だけだった。

17個の候補銀河

既知の合体によるバーストと比べると、GRB 910711はどんな距離にあっても、その光のエネルギーの割に暗すぎる。巨大フレアとしてなら、約55メガパーセク以内、つまりNGC 253の約16倍の距離までにあれば説明がつく。その範囲と、天球上の該当領域の中に、チームは17個の銀河を挙げている。最も近いものは約9.1メガパーセクにあり、すべて主として星形成型の銀河に分類されている。この解釈が正しければ、BATSEは1991年に、ほかの銀河からの初めての巨大フレアをとらえていたことになる。

360ヘルツで鳴りうるものは何か

私たちの銀河系で起きた巨大フレアでは、速い振動はスパイクではなく、減衰していく尾の中に現れた。そのうちの1つ、約625ヘルツの振動は、星の地殻の振動によるものとされた。ある仮定のもとでは、これが360ヘルツ付近になることもありうる。だがそれは星ごとの内部構造と磁場に左右されるため、2つのマグネターがこれを共有するとすれば偶然だろう。より推測的なのは、中心核の奥深くで核物質がクォーク物質に変わる境界での振動だ。その周波数は100〜1,000ヘルツで、主に原子核物理に左右され、星の質量にはほとんど左右されない。こうした振動がスパイクの光をどのように形づくるのかは、まだわかっていない。

ガンマ線だけで聞きとる脈動

著者らは、この結果はマグネター起源を「一意に確立するものではない」が、それを「より経済的な解釈」にすると書いている。合体であれば、硬いスペクトル、光球を通り抜ける脈動、2020年のフレアとの類似、そして共通する倍音を、すべて同時に説明しなければならない。将来の短いバーストでこうした倍音が見つかれば、ガンマ線だけでフレアと合体を見分ける助けとなり、追観測を計画するのに間に合うかもしれない。GRB 910711に残されているのは、6度の空の領域、17個の候補銀河、そして360ヘルツ近くの脈動である。