ГАММА-ВСПЫШКА 1991 ГОДА ЗВУЧИТ КАК МАГНИТАР

11 июля 1991 года прибор BATSE на борту Гамма-обсерватории имени Комптона зарегистрировал вспышку гамма-излучения. О GRB 910711 сообщили как о самом коротком всплеске, который видела миссия: яркий пик длительностью около 10 миллисекунд, затем слабый хвост в 100–200 миллисекунд. В 2023 году анализ 724 коротких всплесков сделал его самым сильным кандидатом на килогерцевые колебания — яркость, нарастающую и спадающую тысячи раз в секунду, — которые истолковали как движения «гипермассивной» нейтронной звезды, оставшейся после слияния.

Двое подозреваемых для одной короткой вспышки

У коротких гамма-всплесков два возможных источника: слияние компактных звёзд или гигантская вспышка магнитара — нейтронной звезды со сверхсильным магнитным полем. Некоторые гигантские вспышки из других галактик похожи на всплески от слияний по длительности и энергии своего излучения; без точного положения на небе их трудно различить. Положение GRB 910711 известно с неопределённостью около 6 градусов.

Жунь-Чао Чэнь (Run-Chao Chen) и Бинь-Бинь Чжан (Bin-Bin Zhang) из Нанкинского университета, Ор Готлиб (Ore Gottlieb) из Массачусетского технологического института и пятеро коллег отталкивались от противоречия в трактовке через слияние.

Слишком жёсткий свет, чтобы нести биение

Спектр GRB 910711 описывается чёрным телом — свечением горячего непрозрачного тела — примерно так же хорошо, как формой, которой обычно описывают всплески от слияний. При этой второй форме он оказывается необычайно «жёстким» — смещённым к фотонам высоких энергий — на крайнем краю всплесков, измеренных BATSE.

Естественное решение — свет, выходящий из фотосферы, слоя, в котором непрозрачное облако отпускает свой свет. Но там свет выходит далеко от центрального двигателя, после многих рассеяний. Килогерцевому биению, заданному нейтронной звездой в центре, потребовался бы дополнительный механизм, чтобы пережить этот путь или восстановиться на выходе.

Более тусклый двойник известной вспышки

Эталоном для них служит GRB 200415A, зарегистрированный 15 апреля 2020 года: гигантская вспышка магнитара в соседней галактике NGC 253 на расстоянии 3,5 мегапарсека — мегапарсек это единица, которой астрономы измеряют расстояния между галактиками.

Если совместить пики, две кривые блеска выглядят похоже: тот же 10-миллисекундный пик, тот же более слабый хвост, детали длительностью всего около 90 микросекунд — миллионных долей секунды — в 1991 году и 65 в 2020-м. Модель вспышки 2020 года, просто ослабленная, как если бы она произошла дальше, воспроизводит форму всплеска 1991 года. Это иллюстрация, подчёркивают авторы, а не измерение расстояния.

Обертоны около 360 герц

Внутри пика команда находит горб на частоте 360 герц — 360 раз в секунду — во всплеске 1991 года и на 350 герц в 2020-м. За 10 миллисекунд частоты, отстоящие друг от друга меньше чем примерно на 100 герц, различить нельзя: эти два горба неотличимы.

Карты ритма во времени показывают пики, загорающиеся на целых кратных 360 герц, как обертоны одной ноты: 1, 3, 5, 6 и 11 раз по 360 в GRB 910711; 2, 4, 6 и 12 раз в GRB 200415A. Обоим присуща шестая гармоника, около 2 160 герц, — близко к колебанию, о котором уже сообщалось для вспышки 2020 года.

Биспектр проверяет, связаны ли колебания между собой: связанные колебания создают мощность на сумме своих частот. Во вспышке 2020 года компонента на 4 320 герц соответствует двум связанным компонентам на 2 160 герц, которые, в свою очередь, соответствуют связанным 720 и 1 440 герц.

100 000 поддельных всплесков

Чтобы проверить случайность, для каждого всплеска команда создала 100 000 поддельных кривых блеска с той же формой пика и шумом счёта фотонов, но без колебаний. Горб на 360 герц оказался не слабее примерно в 5% из них для GRB 910711 и в 0,1% для GRB 200415A. Когда поддельные кривые несли ещё и уже известные килогерцевые колебания и более реалистичный фоновый шум, эти цифры вырастали до 15,5% и 33,4%: сам по себе низкий горб становится менее неожиданным.

Обертоны проверяли только на подделках без колебаний, и там они выдерживают проверку. Небольшое отличие базовой частоты умножается на каждом обертоне, поэтому узор проверяет её точнее, чем один горб. При сканировании от 260 до 460 герц оба всплеска предпочитают примерно 360 герц; поддельные — нет. В сравнении с подделками без колебаний суммарная сила связей достигалась лишь 1,3 раза из 10 000 для GRB 910711 и 4,5 раза для GRB 200415A.

Семнадцать галактик-кандидатов

На любом расстоянии GRB 910711 был бы слишком тусклым для энергии своего излучения по сравнению с известными всплесками от слияний. Как гигантская вспышка он подходит, если находится в пределах примерно 55 мегапарсеков — примерно в 16 раз дальше NGC 253. В этом диапазоне и на его участке неба команда насчитывает 17 галактик, ближайшая из которых находится примерно в 9,1 мегапарсека; все они отнесены к преимущественно звездообразующим. Если трактовка подтвердится, BATSE поймал свою первую гигантскую вспышку из другой галактики ещё в 1991 году.

Что могло бы звучать на 360 герц

В гигантских вспышках из нашей Галактики быстрые колебания появлялись в затухающих хвостах, а не в пике; одно из них, около 625 герц, приписали колебанию коры звезды. При некоторых допущениях оно могло бы оказаться около 360 герц, но зависит от недр и магнитного поля каждой звезды: если бы у двух магнитаров оно совпало, это было бы совпадением. Более умозрительна вибрация на границе, где ядерное вещество переходит в кварковое вещество глубоко в ядре звезды: её частота, от 100 до 1 000 герц, зависит главным образом от ядерной физики и мало — от массы звезды. Как такая вибрация формировала бы свет пика, остаётся неясным.

Биение, услышанное в одном гамма-излучении

Результаты «не устанавливают однозначно» происхождение от магнитара, пишут авторы, но делают его «более экономной интерпретацией»: слиянию пришлось бы объяснить сразу жёсткий спектр, биение, пересекающее фотосферу, сходство со вспышкой 2020 года и общие обертоны. Если такие обертоны обнаружатся в будущих коротких всплесках, одно гамма-излучение могло бы помочь отличать вспышки от слияний — вовремя, чтобы спланировать последующие наблюдения. За GRB 910711 остаются участок неба в 6 градусов, 17 галактик-кандидатов и биение около 360 герц.