陈润潮 · 杨俊 · 尹一涵 · 张彬彬
南京大学 · 郑州大学 · 香港大学
发表于The Astrophysical Journal
ApJ 998, 289 (2026)
南京大学张彬彬教授团队联合郑州大学、香港大学研究人员，对搭载于美国康普顿伽马射线天文台（CGRO）上的BATSE探测器所记录的532个短伽马射线暴样本，开展了系统性毫秒级周期信号搜索。在这场"大海捞针"式的系统排查中，研究团队发现了第二例具有统计显著性的毫秒级周期信号——1996年爆发的短伽马射线暴GRB 960616中约1100赫兹（对应周期约0.9毫秒）的相干振荡。其物理性质与此前在GRB 230307A中首次发现的毫秒级周期高度吻合，进一步支持了短伽马射线暴中心引擎存在高速自旋毫秒磁陀星的物理图景。
宇宙中最猛烈的爆炸，与它神秘的"引擎"
伽马射线暴（Gamma-ray Burst，简称GRB）是宇宙中已知最剧烈的高能爆发现象。在短短数秒内，一次伽马射线暴所释放的能量可超过太阳一生辐射总量的数百乃至数千倍。其中，持续时间短于2秒的"短"伽马射线暴通常认为起源于两颗中子星之间的并合——这一灾难性碰撞同时也是引力波的重要来源，2017年的 GW170817事件已是明证。
然而，当两颗中子星撞在一起之后，留下的究竟是什么？这一"中心引擎"可能有两种命运：或坍缩为黑洞，依靠吸积盘喷流驱动爆发；或存活为一颗旋转极快、磁场超强的中子星——即毫秒磁陀星（millisecond magnetar）。这种天体每秒旋转可达上千圈，磁场强度高达地球磁场的一千亿倍，是宇宙中最极端的物理实验室之一。若它真实存在，其旋转就像一台精准的"宇宙时钟"，以毫秒为节拍搏动，并通过强磁场将旋转能量源源不断地注入喷流。
那么，这颗"宇宙时钟"的节拍，能否穿越十亿光年的虚空，在人类的探测器上留下印记？这正是本研究的核心问题。
从"第一例"到"样本"：系统搜寻的必要性
2025年，张彬彬教授团队在人类观测史上亮度第二的伽马射线暴GRB 230307A中，首次探测到约909赫兹、持续约160毫秒的毫秒级周期信号（Chen et al. 2025, Nature Astronomy）。这被解读为新生毫秒磁陀星在喷流中留下的自旋印记，是磁陀星驱动伽马射线暴的首个直接观测证据，在学界引发广泛关注。
然而，单一事件的发现，无论多么精彩，在统计层面始终面临"巧合"的质疑。这是偶然，还是规律？若该信号确实源于毫秒磁陀星的自旋，那么在更大样本的短伽马射线暴中，是否同样能找到类似的毫秒级周期信号？为回答这一问题，研究团队将目光投向了拥有近十年历史积累的短伽马射线暴档案库——BATSE。
"大海捞针"：BATSE档案中的系统性搜索
BATSE（爆发与瞬变源实验装置）搭载于美国康普顿伽马射线天文台（CGRO，1991—2000年在轨），由八个大面积探测器组成，近十年间积累了数千个伽马射线暴的高质量数据。其"时间标记事件"（TTE）模式以约2微秒的超高时间分辨率记录每一个光子的到达时间，为搜寻毫秒量级的周期信号提供了理想条件。要分辨千赫兹级的周期信号，数据时间分辨率需优于0.5毫秒，而BATSE的时间精度远超这一门槛。
研究团队从档案中提取了532个短伽马射线暴的TTE数据，在同时考虑时间与能量两个维度影响的情况下展开系统搜索：将每个爆发数据切分为约100毫秒宽、步进50毫秒的滑动时间窗口，在500至2500赫兹频率范围内以瑞利检验逐一扫描，共生成186,327个独立候选频率–功率对。
"这是一场真正意义上的大海捞针。如此规模的高时间分辨率盲搜索，在统计上极具挑战性——随机噪声的涨落本身也可能产生看似显著的峰值，因此我们必须从所有试探结果的整体统计分布出发，才能可靠地甄别出真正超越随机背景的信号，而不是被统计"幻影"所误导。" ——陈润潮（论文第一作者，0567拉斯维加斯博士研究生） |
沧海一珠：GRB 960616中的1100赫兹毫秒脉动
经过对532个样本的系统排查，研究团队最终识别出唯一一例具有统计显著性的毫秒级周期信号，来自1996年6月16日触发BATSE的短伽马射线暴GRB 960616（BATSE触发编号5502）。其主爆发持续约30毫秒，在整个主脉冲期间，光变曲线中持续呈现约1100赫兹（周期约0.9毫秒）的相干振荡。这一信号在 BATSE最高能量通道（能量>325 keV）中表现最为显著，分数调制幅度高达约47%——意味着伽马射线辐射强度随时间以近乎"一半"的幅度作周期性涨落。
在统计层面，该信号的偶然概率极低。经过对全部186,327次独立频率试探的统计校正，试验校正误报概率（FAP）约为5.54×10-4；蒙特卡洛模拟给出偶然概率约2.69×10-6，对应单侧高斯显著性约为4.55σ，在天文学上属于高置信度探测。
图1：GRB 960616在光子入射角最小的两个BATSE探测器（LAD0和LAD1）四个能量通道上的加权小波Z变换（WWZ）时频功率谱。红框所示区域即约1100赫兹的周期信号。信号在时间上与主爆发阶段高度吻合，且随光子能量升高而显著增强——在最高能量通道（>325 keV）中达到峰值显著性，清晰呈现出能量依赖特征。
多重验证：让一个信号无可争辩
为确保这一信号绝非统计"幻影"，研究团队从四个相互独立的角度逐一验证，构成一张严密的"交叉核验之网"：
● 时频一致性（WWZ动态功率谱）：约1100赫兹的振荡在多个独立探测器的多个能量通道中均独立出现，且集中于主爆发期间，排除了单一探测器仪器噪声的可能性。
● 贝叶斯功率谱分析（洛伦兹型QPO模型）：贝叶斯功率谱分析（洛伦兹型QPO模型）得到的最佳拟合中心频率约1096 Hz，品质因子Q≈29.4，说明信号频率带宽仅为中心频率的约1/29，呈现出高度相干的窄峰特征。对数贝叶斯因子（logarithmic Bayes factor）约为64，强烈支持在噪声分量之外引入振荡成分。
● 相位折叠（周期折叠光变曲线）：按1100赫兹周期折叠主爆发期间的所有光子，得到清晰正弦型相位剖面，拟合分数振幅A=0.47±0.04，与搜寻结果高度吻合。
● 高斯过程回归（数据驱动蒙特卡洛）：在假设存在周期成分的高斯过程框架下进行联合建模，并利用拟合得到的非周期模型生成18.6万条不包含任何周期的、强度与观测强度一致的模拟光变曲线。结果显示，观测到的Lomb–Scargle功率在所有模拟中均无法复现，表明单纯的非周期过程极难产生GRB 960616中所观测到的周期信号。
图2：GRB 960616在1100赫兹下的相位折叠光变曲线。黑色阶梯线为折叠后的光子计数相位分布，红色曲线为正弦模型拟合结果（红色阴影：1σ置信区间）。折叠结果呈现出标准的正弦调制波形，分数振幅A≈47%，表明这是一个高度相干的周期振荡。
物理图像：磁陀星的"自旋密码"如何刻入伽马射线
为何毫秒磁陀星的自转节拍能够在遥远的伽马射线辐射中留下印记？此前研究团队在GRB 230307A的工作中提出了相应的理论模型，对这种周期调制的频率尺度、相干性及能量依赖作出了预期。而在GRB 960616中观测到的周期信号，在这些关键特征上与模型预期高度一致。
在这一框架下，GRB 960616由一颗高速旋转的新生毫秒磁陀星所驱动。其自旋轴与磁轴之间存在夹角（类比地球磁轴与自转轴的偏转），使驱动喷流的磁场具有方向性，随自转周期规律变化。喷流中的磁能通过内部磁重联耗散，在辐射区不同位置随机产生大量方向各异的"迷你喷流"——它们就像散布在喷流内部的四面八方的小炮弹，其中朝向地球的那些形成"热斑"，是我们接收到的辐射主要来源。
当有效迷你喷流数量足够多时，各朝向贡献相互叠加且近乎对称，自旋调制被"平均"掉，周期信号无从显现。然而若在某次爆发的整个主脉冲期间，有效迷你喷流本征上较少，分布对称性始终不足，则自旋调制便能以高幅度持续出现——这正是GRB 960616中所观测到的情形，也解释了为何信号在高能段（>325 keV）最强：高能光子由极少数朝向最接近视线的迷你喷流主导，进一步削弱了迷你喷流随机分布带来的"平均"；低能光子则汇聚更广泛方向的贡献，更容易被"平均"掉。
从偶然到规律：第二例发现的科学意义
532个BATSE短伽马射线暴中仅识别出一例显著信号，这本身传递了重要的物理信息：毫秒级周期性并非短伽马射线暴的普遍特征，其可探测性受多重苛刻条件制约——包括并合后磁陀星的相对长寿命与高自旋速率、磁主导的喷流耗散机制，以及充足的光子统计量。
然而，若将GRB 960616与GRB 230307A并置审视，两例信号之间惊人的物理一致性远比单纯的统计计数更为深刻：
● 极高相干性：两例信号均呈现近乎严格周期的窄峰结构，品质因子均远超宽带随机噪声的预期。
● 一致的时间尺度：信号周期均约为0.9–1.1毫秒，恰好落在新生毫秒磁陀星自旋周期的理论预期范围内。
● 相同的能量依赖：调制幅度均在高能段最为显著、低能段减弱，与ICMART喷流模型的理论预期完全一致。
● 自洽的物理图景：两例均能在磁主导喷流框架下得到统一解释，区别仅在于喷流辐射区的几何细节。
这一发现有力地表明：在某些由双中子星并合驱动的爆发中，中心引擎的旋转信息确实能够穿越相对论喷流的复杂介质，并在伽马射线光变曲线中留下可观测的调制印记。第二例的出现，将这一可能性从"有趣的个案"推向了"有统计支撑的物理趋势"，也为未来高时间分辨率伽马射线观测提供了明确的搜索靶标。
论文背后
"找到第二例毫秒级周期信号，是我们在发现GRB 230307A中的信号之后最迫切希望实现的目标之一。单一事件的发现永远面临"是否偶然"的质疑，而在独立样本中的重复验证则能从根本上改变我们对这一现象物理本质的认知。BATSE提供了人类历史上最丰富的短伽马射线暴档案之一，其微秒级时间分辨率数据为我们带来了难得的历史机遇。未来，我们将继续在更多明亮伽马射线暴中搜寻类似信号，并借助数值模拟深化对磁陀星自旋信息如何传递至喷流辐射的理论理解。" ——张彬彬教授（论文通讯作者，0567拉斯维加斯） |
GRB 960616的信号在整个主爆发期间持续存在，与GRB 230307A中仅在短暂窗口期出现的情形不同——这种差异本身也为喷流辐射物理提供了更丰富的线索。" ——陈润潮（论文第一作者，0567拉斯维加斯博士研究生） |
基金支持
本研究获得国家自然科学基金（12573046、12121003）、科技部重点研发计划（2022YFF0711404、2022SKA0130102）、国家SKA望远镜计划（2022SKA0130100）、中国载人航天工程（CMS-CSST-2021-B11）、高校基本科研业务费以及江苏省双创计划的资助支持。
参考文献
1. R.-C. Chen et al. (2025). Evidence for a brief appearance of gamma-ray periodicity after a compact star merger. Nature Astronomy. https://doi.org/10.1038/s41550-025-02649-w
2. C. Chirenti et al. (2023). Kilohertz quasiperiodic oscillations in short gamma-ray bursts. Nature, 613, 253–256.
3. B. Zhang & H. Yan (2011). The ICMART model of gamma-ray bursts. The Astrophysical Journal, 726, 90.
4. W. S. Paciesas et al. (1999). The Fourth BATSE Gamma-Ray Burst Catalog. The Astrophysical Journal Supplement, 122, 465–495.
5. H. Sun et al. (2025). Magnetar emergence in a peculiar gamma-ray burst from a compact star merger. National Science Review, 12, nwae401.
论文链接：https ://doi.org/10.3847/1538-4357/ae3a96