1991年的一次伽马射线闪光,响起了磁星的节拍
1991年7月11日,康普顿伽马射线天文台上的BATSE仪器记录到一次伽马射线闪光。GRB 910711被报告为该任务观测到的最短暴:一个约10毫秒的明亮尖峰,随后是一条持续100到200毫秒的微弱尾巴。2023年,一项对724个短暴的分析把它列为千赫兹振荡——亮度每秒起伏数千次——最有力的候选者,并将其解读为并合后留下的一颗“超大质量”中子星的运动。
一次短闪光,两个嫌疑者
短伽马射线暴有两种可能的来源:致密星的并合,或者磁星巨耀发——磁星是一种磁场极强的中子星。来自其他星系的一些巨耀发,在持续时间和光的能量上都与并合暴相似;如果没有精确的天空位置,两者很难区分。GRB 910711的位置不确定度约为6度。
南京大学的Run-Chao Chen和Bin-Bin Zhang、麻省理工学院的Ore Gottlieb以及另外五位同事,从并合解读中的一个矛盾入手。
光太“硬”,难以携带节拍
GRB 910711的能谱用黑体——炽热不透明物体发出的辉光——拟合,效果与通常用来拟合并合暴的那种谱形差不多好。如果用第二种谱形,它就显得异常“硬”——偏向高能光子——处于BATSE测量过的暴中最极端的一端。
自然的解决办法是:光来自光球层,即不透明云团让光逸出的那一层。但在那里,光是在远离中心引擎的地方、经过多次散射后才出射的。由中心的中子星设定的千赫兹节拍,需要一种额外的机制才能熬过这段旅程,或者在出射途中被重建。
一次已知耀发的较暗“孪生兄弟”
他们的参照是GRB 200415A,记录于2020年4月15日:一次来自邻近星系NGC 253的磁星巨耀发,距离为3.5百万秒差距——百万秒差距是天文学家用来衡量星系间距离的单位。
把两条光变曲线按峰值对齐,它们看起来很像:同样10毫秒的尖峰,同样较弱的尾巴,以及短至约90微秒(百万分之一秒)的结构——1991年的是90微秒,2020年的是65微秒。把2020年耀发的模型简单地调暗,就好像它发生在更远的地方,就能重现1991年那次暴的形状。作者强调,这只是一个示意,并不是距离测量。
约360赫兹的泛音
在尖峰内部,团队在1991年的暴中发现了一个位于360赫兹(每秒360次)的凸起,在2020年的暴中则位于350赫兹。在10毫秒的时长内,相差不到约100赫兹的频率无法分辨:这两个凸起无法区分。
节律随时间变化的图显示,峰值出现在360赫兹的整数倍上,就像同一个音的泛音:在GRB 910711中是360的1、3、5、6和11倍;在GRB 200415A中是2、4、6和12倍。两者都有第六倍,约2160赫兹,与2020年耀发中已报告过的一个振荡接近。
双谱用来检验振荡之间是否耦合:耦合的振荡会在它们频率之和处产生功率。在2020年的耀发中,4320赫兹的成分与两个在2160赫兹处耦合的成分相符,而这两个成分本身又与720和1440赫兹的耦合相符。
100000次伪造的暴
为了检验偶然性,团队为每个暴制作了100000条伪造的光变曲线,它们具有相同的尖峰形状和光子计数噪声,但没有振荡。对GRB 910711而言,约5%的伪造曲线中出现了至少同样强的360赫兹凸起;对GRB 200415A而言,这一比例是0.1%。如果伪造曲线中也加入已报告过的千赫兹振荡和更真实的背景噪声,这两个数字就分别升至15.5%和33.4%:单独来看,这个低频凸起就没那么出人意料了。
泛音只与没有振荡的伪造曲线做过对比,并在这项检验中站得住脚。基频的微小差异会在每一个泛音上被放大,因此这种模式对基频的检验比单个凸起精细得多。在260到460赫兹之间扫描,两个暴都偏好约360赫兹;伪造曲线则没有这种偏好。与没有振荡的伪造曲线相比,耦合的综合强度在GRB 910711中每10000次只达到1.3次,在GRB 200415A中为4.5次。
十七个候选星系
无论距离多远,与已知的并合暴相比,GRB 910711就其光的能量而言都太暗了。如果把它看作巨耀发,就说得通,只要它位于约55百万秒差距之内,约为NGC 253距离的16倍。在这个距离范围和它所在的那片天区内,团队列出了17个星系,最近的一个约9.1百万秒差距,全部被归为以恒星形成为主的星系。如果这一解读成立,BATSE早在1991年就捕捉到了它的第一次河外巨耀发。
什么东西会以360赫兹振动
在银河系内的巨耀发中,快速振荡出现在逐渐衰减的尾巴里,而不是尖峰中;其中一个约625赫兹的振荡被归因于星体外壳的振动。在某些假设下,它可能落在360赫兹附近,但它取决于每颗星的内部结构和磁场:两颗磁星恰好共有这一频率将是一种巧合。更具推测性的是,在核心深处核物质转变为夸克物质的边界上发生的振动:它的频率介于100到1000赫兹之间,主要取决于核物理,而与星体质量关系不大。任何这样的振动会如何塑造尖峰的光,仍不确定。
仅凭伽马射线听到的节拍
作者写道,这些结果“并不能唯一地确立”磁星起源,但使之成为“更经济的解释”:并合解释必须同时说明硬能谱、穿过光球层的节拍、与2020年耀发的相似性以及共有的泛音。如果未来的短暴中也出现这样的泛音,仅凭伽马射线就可能帮助区分耀发与并合,并及时安排后续观测。GRB 910711留下的,是一片6度的天区、17个候选星系,以及一个接近360赫兹的节拍。
