近日，南京大学张彬彬教授团队联合中国科学院高能物理研究所、香港大学物理系，利用“怀柔一号”极目卫星对伽马射线暴GRB 230307A的观测数据，探测到一个频率为909赫兹的短暂周期信号。这一发现表明，驱动GRB 230307A的很可能是一颗新生的“毫秒级磁陀星”（millisecond magnetar）。这是首次在伽马射线暴中观测到稳定的毫秒级周期信号，为揭示致密天体并合产物的性质提供了关键证据。相关成果以“Evidence for a brief appearance of gamma-ray periodicity after a compact star merger”为题，于2025年9月19日正式发表在国际著名期刊《自然·天文学》（Nature Astronomy）。论文第一作者为0567拉斯维加斯博士研究生陈润潮，张彬彬教授（南京大学）、熊少林研究员（中国科学院高能物理研究所）和张冰教授（香港大学）为共同通讯作者。
伽马射线暴中的“神秘脉搏”
伽马射线暴（Gamma-ray Burst）是宇宙中最明亮、最剧烈的爆发现象之一，其在数秒内释放的能量可超过太阳一生所释放的总能量。长期以来，科学界认为部分伽马射线暴由双致密星（如中子星）并合驱动，并可能在并合后形成黑洞或中子星。然而，由于此类事件距离遥远、持续时间极短，致密天体并合后的中心产物性质始终难以直接确认。
GRB 230307A是人类观测史上第二亮的伽马射线暴，于2023年3月7日被我国“怀柔一号”极目卫星（简称GECAM）首先发现并向国际天文界通报。随后，詹姆斯·韦布太空望远镜的近红外光谱观测证实，该事件由一次双致密星合并引发[1]。由于其高能伽马射线辐射持续近一分钟，远超典型“短暴”（时长小于2秒）的标准，因此被归类为一类特殊的“超长短暴”。
尽管主流观点认为短暴通常由并合后形成的黑洞驱动，但GRB 230307A的异常长持续时间使得黑洞模型难以解释其能量输出。对此，合作团队提出，该事件可能由一颗新生的毫秒级磁陀星驱动[2]——这类中子星拥有极强磁场（高达1015高斯）和毫秒量级的自旋周期，其快速旋转过程有望在伽马射线暴中留下可探测的周期信号，犹如规律的“脉搏”。为验证这一可能性，研究团队对GRB 230307A的数据进行了针对周期信号的搜寻与分析。
基于极目卫星首次发现毫秒级周期信号
研究团队利用我国自主研制的极目系列卫星的高时间分辨率数据进行了深入分析。极目卫星配备的伽马射线探测器具有亚微秒级的时间分辨率和宽能段探测能力[3]。中国科学院高能物理研究所研究员、GECAM项目首席科学家熊少林指出：“极目卫星的独特优势为精确捕捉伽马射线暴中可能存在的毫秒级周期信号提供了有力的技术支撑。”
南京大学博士研究生陈润潮构建了一套适用于GRB 230307A的统计搜索框架。团队利用该框架，在GECAM-B的观测数据中，于爆发发生约24秒后，识别出一个中心频率约909赫兹、持续约160毫秒的周期信号。该信号约1.1毫秒的脉动周期与团队预期的毫秒级磁陀星自旋周期高度吻合。
为确保信号的可靠性，团队利用两颗极目卫星（GECAM-B和GECAM-C）以及国际上的费米卫星（Fermi/GBM）的观测数据进行了交叉验证，确认在时间、频率和能量上的一致性，最终确定了其与GRB 230307A的关联。借助GECAM-B的高质量数据，研究人员进一步构建了物理模型，用以解释该信号的特征及其与毫秒级磁陀星的紧密联系。
图1：a-国内外多颗空间天文卫星在98–248 keV能段探测到的GRB 230307A的光变曲线（上图），以及对应GECAM-B的动态频谱（下图）。红框标示出探测到毫秒级周期信号的时段。b-来自不同探测器的高分辨频谱图显示，相同时间和频率均可观测到该信号。
GRB 230307A的物理模型：周期信号为何如此短暂？
这一重大发现引出了一个耐人寻味的问题：为何显著的周期信号仅持续了约160毫秒？对此，论文的共同通讯作者、香港大学物理系张冰教授指出：“该信号出现在一个远超爱丁顿光度的伽马射线暴中，因此很可能与超相对论喷流内部的能量耗散过程有关。如果这种周期性确由磁陀星的自旋驱动，则必须满足两个关键条件：一是磁陀星的自旋信息能够有效传递到喷流中；二是喷流辐射区需形成不对称的亮度分布，从而使自旋调制能够被观测到。”
基于这一思路，研究团队提出了一个物理图景丰富的模型：GRB 230307A 的喷流由一颗毫秒级磁陀星驱动，喷流内部磁能远超动能，整个能量耗散过程呈现出坡印廷流主导特征。由于磁陀星的磁轴与自旋轴不重合，喷流内部的磁场会形成高度有序的结构，随自旋呈现周期变化，从而携带自旋信息，并在能量耗散过程中得以显现。
在坡印廷流主导的喷流中，磁重联是主要的能量耗散机制，该过程会在辐射区的不同位置形成指向各异的“迷你喷流”（mini-jets）[4]。那些朝向地球的迷你喷流表现为亮度增强的“热斑”（hot spots）。在一般情况下，热斑数量众多且分布近乎均匀，即便存在自旋调制，也难以在光变曲线中显现出清晰的周期性。然而，在爆发演化的某一特殊阶段——即高纬度辐射[5]开始占主导的时期，由于几何光行时延，观测者最先接收到的是来自少数热斑的辐射。有限的数量破坏了分布的对称性，从而使得自旋调制的亮度起伏在短时间内显现为周期信号。随后，随着更多热斑加入辐射，整体对称性逐渐恢复，周期信号也随之消失。
图 2：GRB 230307A中周期信号的物理示意图。其中Episode I和Episode III分别对应喷流由集束效应主导与高纬度辐射主导的阶段，在这两个阶段中，热斑分布几乎对称，因而不会产生可观测的周期信号。Episode II代表从集束辐射向高纬度辐射的过渡阶段，由于热斑数量较少导致的分布不对称，自旋调制得以短暂显现。面板a和b分别示意不同观测视角下的喷流结构。
模型的观测检验
研究团队构建的GRB 230307A物理图像提出了两个关键预测：首先，周期信号应出现在伽马射线暴辐射向高纬度主导阶段演化的过渡期；其次，其能谱依赖性应表现为：在高能段振幅更强，而在低能段相对减弱。
令人振奋的是，GRB 230307A的观测结果与模型预测高度一致：其一，周期信号的出现时刻几乎完全对应于2024年另一项多波段拟合研究[2]推导出的高纬度辐射主导阶段；其二，来自GECAM-B、GECAM-C和Fermi/GBM的能谱分析清晰显示，周期信号在高能段显著增强，而在低能段明显减弱，与模型预期相符。
此外，考虑到这一周期信号的短暂持续时间可近似理解为单束迷你喷流的张角扫过观测者视线的时间，研究团队利用约160毫秒的持续时间反推出喷流能量耗散的起始半径。结果显示，所估算出的耗散起始半径约为1015厘米，与坡印廷流主导喷流模型中的理论预期高度一致[4]。
科学意义：首次揭示伽马射线暴中心的“自旋引擎”
这项研究首次以直接观测证据支持了毫秒级磁陀星作为双致密星并合残余天体，并驱动以坡印廷流为主导的喷流产生伽马射线暴的物理过程。此前，对于伽马射线暴中心天体的探讨主要依赖于基于物理模型假设推导的间接信息（如爆发持续时间、多波段辐射组分及余辉演化等），而此次观测到的毫秒级周期信号则可被视为磁陀星自转行为的直接印记。
在浩瀚宇宙中，这1.1毫秒的周期性脉动，或许正是一颗新生中子星向我们发出的“第一次心跳”。
论文背后
论文通讯作者、0567拉斯维加斯张彬彬教授表示：“这一成果不仅推动了我们对伽马射线暴中心引擎机制的深入理解，也为揭示极端物理条件下致密天体的演化提供了关键线索。未来，研究团队将继续在更多明亮的伽马射线暴中寻找类似的周期信号，并基于本次观测获得的参数开展数值模拟，探索毫秒级磁陀星如何将其自旋信息有效传递至喷流的能量耗散阶段。”
该研究工作获得科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国空间站项目、江苏省双创计划以及国家“双一流”建设经费的支持。“怀柔一号”极目卫星由中国科学院“空间科学（二期）”战略性先导科技专项部署研制。
参考文献
1. Levan, A. J. et al. Heavy-element production in a compact object merger observed by JWST. Nature 626, 737–741 (2024).
2. Sun, H. et al. Magnetar emergence in a peculiar gamma-ray burst from a compact star merger. Natl Sci. Rev. 12, nwae401 (2025).
3. Li, X. Q. et al. The technology for detection of gamma-ray burst with GECAM satellite. Radiat. Detect. Technol. Methods 6, 12–25 (2021).
4. Zhang, B. & Yan, H. The Internal-collision-induced Magnetic Reconnection and Turbulence (ICMART) Model of Gamma-ray Bursts. Astrophys. J. 726, 90 (2011).
5. Kumar, P. & Panaitescu, A. Afterglow Emission from Naked Gamma-Ray Bursts. Astrophys. J. Lett. 541, L51–L54 (2000).
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41550-025-02649-w
本项工作中毫秒级磁陀星及伽马射线暴喷流的艺术想象图（绘图:南京智教云智能科技有限公司田雨佳、吴宇廷；科学创意指导：南京大学陈润潮、张彬彬 ）