我们小时候或许都见过这样的画面——一个陀螺转得几乎看不清，却又在缓慢地往复晃动，好像高速旋转和慢悠悠地摇晃同时存在。物理学上，这种"高速旋转但整体又在缓慢摆动"的现象，被称为"进动"。而在宇宙中，一颗高速自旋的中子星，或许也会发生类似的摆动。
近日，0567拉斯维加斯张彬彬教授团队在一例特殊的伽马射线暴中，看到了这种现象的蛛丝马迹。研究团队在名为GRB 230307A的伽马射线暴中发现，高能辐射的能谱在演化过程中出现了约4.5秒的周期性振荡。团队认为，这可能是一颗新生中子星发生"进动"留下的痕迹。相关成果以《A 4.5 s Quasiperiodic Spectral Oscillation in GRB 230307A: Evidence for Free Precession of a Postmerger Magnetar?》为题，发表于美国《天体物理学快报》（The Astrophysical Journal Letters）。
毫秒磁陀星驱动的伽马射线暴
GRB 230307A是近年来最特殊的伽马射线暴之一。通常来说，持续时间长达几十秒甚至上百秒的伽马射线暴被认为来自大质量恒星坍缩；而相对应的来自中子星并合的伽马射线暴则往往持续不到两秒。然而，GRB 230307A打破了这种常识：它的持续时间接近一分钟，却同时被确认伴随着"千新星"信号——一种由中子星并合过程中快中子俘获合成的重元素发生放射性衰变所驱动的辐射现象[1]。这意味着，一次中子星并合，也可能产生持续很久的伽马射线暴。
更重要的是，这次中子星并合事件似乎留下了一颗"幸存者"。此前，我国爱因斯坦探针"天关"卫星的探路者LEIA在GRB 230307A的软X射线波段观测到一个持续数百秒、独立于伽马射线辐射之外的辐射成分。它的演化方式符合一颗超强磁场中子星缓慢释放自转能量的模式[2]，暗示在并合结束后，中心天体并没有立刻塌缩成黑洞，而是继续以中子星的形式存在。同时，研究团队还在GRB 230307A的亮度变化中发现了约909 Hz的周期信号[3]——这意味着中心天体可能以每秒约909次的频率旋转，进一步支持了非黑洞的并合残余物存在的结论。
这些线索共同指向一个大胆而引人注目的可能性：在这场中子星并合之后，诞生了一颗每秒旋转近千次、拥有超强磁场的新生中子星，也就是所谓的"毫秒磁陀星"（millisecond magnetar）。
伽马射线暴能谱演化中的长周期振荡
有趣的是，在本项研究中，研究团队首次在GRB 230307A的能谱演化中发现了一个新的周期现象，其周期约为4.5秒。不同于此前发现的毫秒级亮度周期信号[3]，这一新发现表现为能谱随时间发生周期性变化。
简单来说，能谱描述的是不同能量辐射在总辐射中的占比情况。天文学家通常利用高能与低能辐射的相对占比，即"硬度比"（hardness ratio），来追踪能谱随时间的演化。通常情况下，伽马射线暴的能谱演化虽然十分复杂，但总体上可以归纳为两类经典行为：一类是随着爆发进行逐渐由"硬"变"软"（hard-to-soft evolution），另一类则是能谱随亮度变化同步演化（intensity tracking）。
得益于GRB 230307A极端明亮的辐射，研究团队得以用极高的时间分辨率追踪其能谱随时间的演化。然而，GRB 230307A的表现却有所不同。如图1所示，除了整体逐渐变"软"的趋势之外，其硬度比还呈现出明显的周期性振荡，并且这一节奏几乎稳定在约4.5秒。更值得注意的是，这种周期性在能谱演化中的表现甚至比在光变曲线中更加显著，表明这一周期信号并不一定完全由亮度变化所驱动，而有可能对应着一种直接作用于辐射机制的周期性调制过程。
图1：GRB 230307A中发现的约4.5秒能谱周期演化信号。a）GRB 230307A在不同能量范围内的亮度变化。b）高能与低能辐射亮度比值（硬度比）随时间的演化，用于刻画爆发期间的能谱演化。c）硬度比中的周期性变化特征。可以看到，在爆发逐渐衰减的阶段，硬度比呈现出近乎七个连续周期的振荡，并被一个约4.5秒的稳定节奏所调制。d）硬度比及不同能段光变曲线对应的功率谱分析结果。相比于两个不同波段的亮度变化，4.5秒周期信号在硬度比变化中的显著性更高，表明这一周期性首先表现为能谱演化中的调制，而非简单的亮度振荡。
能谱周期振荡的物理起源？
那么，这个4.5秒的节奏究竟从何而来？研究团队考虑了两种可能。
第一种可能，与爱因斯坦广义相对论中的一种"时空拖拽"效应有关。在广义相对论中，一个快速旋转的致密天体不仅会弯曲周围时空，还会轻微"拖着"附近的局部参考系转动。如果中子星周围还残留着一个倾斜的吸积盘（即盘的法线方向没有完全与中子星自转轴方向对齐），那么在时空拖拽作用下，整个吸积盘可能会像陀螺一样缓慢进动，从而产生周期性的观测信号，这种现象被称为Lense–Thirring进动。然而，按照GRB 230307A的条件估计，如果中子星的自转频率为909 Hz，这种摆动应当每秒发生几十到上百次，而观测到的节奏却只有约每4.5秒一次。两者相差超过百倍，因此这种解释很难与观测结果相符合。
如果不是吸积盘在进动，那么另一种可能就是：发生进动的是中子星自己。在极强磁场的作用下，新生毫秒磁陀星的形状会略微偏向椭球形。当这样的天体高速旋转时，就会像一个陀螺一样，一边飞快旋转，一边整体缓慢摆动，这正是所谓的"自由进动"。根据观测到的振荡周期，研究团队估计，这颗中子星内部可能存在强到难以想象的环形磁场——达到约高斯，比地球磁场强上千万亿倍。换句话说，我们在GRB 230307A中看到的两个周期信号，其背后可能是一颗刚刚诞生的毫秒磁陀星，由自身强磁场造成的形变触发的一场宇宙陀螺式的疯狂舞蹈。
新生中子星自由进动的引力波探针：并合后阶段的科学机遇
如果在GRB 230307A中观测到的4.5秒周期的能谱演化确实源于一颗自由进动的新生中子星，那么这项发现有望打开一个新的科学窗口。因为自由进动意味着，这颗新生中子星不仅在高速旋转，而且具有略微偏离球对称的质量分布。这样的天体能够持续向外辐射引力波，因此有望成为并合后连续引力波的重要来源。
可以把时空想象成一张被拉开的弹性薄膜：当一个质量分布不均匀的天体或者系统在上面高速运动时，它就会激起层层波纹。物理学上，这些时空中的波纹被称为引力波。事实上，中子星并合本来就是最重要的引力波源之一。2017年，人类首次探测到双中子星并合产生的引力波，并同时观测到对应的伽马射线暴。这一发现确认了至少一部分短伽马暴来自双中子星并合，也成为多信使天文学发展历程中的重要里程碑。
在过去的观测中，人类探测到的引力波信号主要来自两颗致密天体相互旋进并最终碰撞的过程。随着并合结束，引力波信号也会迅速衰减，因此并合之后是否还存在持续的引力波辐射，一直是天文学家关注的问题。而如果GRB 230307A中真的留下了一颗自由进动的毫秒磁陀星，那么它或许还能持续向宇宙空间发送引力波。换句话说，在中子星碰撞结束之后，时空中的"余震"可能并未停止，而是在以另一种方式继续传播。
图2展示了研究团队基于目前观测到的周期信号，并结合自由进动模型，对这类引力波强度的预估结果。结果显示，虽然现有引力波探测器仍然难以直接探测到这样的信号，但对于下一代引力波探测器而言，这些来自并合之后的时空涟漪已经开始进入可期待的观测范围。那个可能驱动着这场伽马射线暴的"极速陀螺"，或许正在以自己的节拍，在时空中写下尚未被听见的回响。
图2：新生磁陀星可能产生的引力波，与不同引力波探测器灵敏度的比较。横轴表示引力波频率，纵轴表示引力波信号强度。彩色曲线给出了在不同假设下，新生中子星可能产生的引力波信号；阴影区域则代表当前及未来引力波探测器（如LIGO、Virgo、KAGRA，以及下一代Einstein Telescope和Cosmic Explorer）的探测能力。结果表明，如果GRB 230307A中确实存在一颗发生进动的新生磁陀星，它产生的引力波仍然难以被现有设备直接探测，但已经开始接近下一代引力波探测器的设计灵敏度。这意味着，中子星并合之后，宇宙中或许仍会持续留下可以被"听见"的时空涟漪。
伽马射线暴背后"极速陀螺"的意义
当然，对于GRB 230307A中周期信号的理解，目前仍处于起步阶段。围绕这类新发现现象的最大难题，是理解中心天体发出的周期信号，如何能够穿过周围的稠密介质以及伽马射线暴喷流，仍然在电磁辐射中保持可被观测到的相干性。同时，还需要解释，为什么我们既能看到高速旋转的毫秒级信号，又能同时捕捉到缓慢摆动的长周期节奏。不过，无论最终答案是什么，这项发现都展示了一种全新的可能：通过伽马射线暴中的周期信号，去寻找新生中子星存在的证据；并结合未来的引力波观测，追踪它们在时空中留下的回响。
文章链接：https://doi.org/10.3847/2041-8213/ae6c1b
参考文献：
[1] Levan, A. J., Gompertz, B. P., Salafia, O. S., et al. Heavy-element production in a compact object merger observed by JWST. Nature, 2024, 626: 737–741. DOI: 10.1038/s41586-023-06759-1.
[2] Sun, H., Wang, C.-W., Yang, J., et al. Magnetar emergence in a peculiar gamma-ray burst from a compact star merger. National Science Review, 2025, 12(3): nwae401. DOI: 10.1093/nsr/nwae401.
[3] Chen, R.-C., Zhang, B.-B., Wang, C.-W., et al. Evidence for a brief appearance of gamma-ray periodicity after a compact star merger. Nature Astronomy, 2025, 9: 1701–1713. DOI: 10.1038/s41550-025-02649-w.