可观测Universe 第46章 GRO J1655－40

GRO J1655-40（黑洞）

· 描述：一个“飞奔”的黑洞

· 身份：恒星质量黑洞，位于天蝎座，距离地球约11,000光年

· 关键事实：以每小时40万公里的速度在银河系中穿行，可能是在超新星爆发中获得了不对称的“踢击”。

GRO J1655-40：银河系中“飞奔”的恒星级黑洞（上篇）

引言：宇宙中的“流浪者”

在银河系这片由千亿恒星编织的浩瀚星海中，绝大多数天体都遵循着引力编织的轨道规律——恒星围绕银心旋转，行星绕恒星公转，星际尘埃在星际介质中缓慢漂移。但并非所有天体都安于“稳定”。天文学家曾发现一类特殊的天体，它们如同被宇宙巨手抛出的“飞镖”，以数百甚至上千公里每秒的速度在星系中穿梭。其中，距离地球约11,000光年的GRO J1655-40尤为引人注目：这个被称为“恒星级黑洞”的天体，正以每小时40万公里（约111公里/秒）的速度“狂飙”，其轨迹足以在百万年内跨越银河系的旋臂。它的存在不仅挑战着我们对黑洞形成的传统认知，更像一把钥匙，打开了探索超新星爆发动力学、黑洞动力学演化的新窗口。本文将从GRO J1655-40的发现历程出发，逐步揭开这位“星际流浪者”的神秘面纱。

一、GRO J1655-40的发现：从伽马射线暴到X射线双星

GRO J1655-40的故事始于1994年。当时，美国国家航空航天局（NASA）的“康普顿伽马射线天文台”（CGRO）正在执行全天伽马射线监测任务。这颗卫星的核心目标之一，是捕捉宇宙中最剧烈的能量释放事件——伽马射线暴（GRB）。这类事件通常持续数毫秒至数小时，释放的能量相当于太阳在100亿年中辐射的总和，其起源长期成谜，一度被认为是大质量恒星坍缩或中子星合并的产物。

1994年7月，CGRO的“爆发和瞬变源试验设备”（BATSE）在人马座方向（后经精确坐标定位为天蝎座）记录到一个异常的伽马射线信号。与典型的短暴或长暴不同，这个信号持续时间较长（约数天），且伴随显着的X射线余辉。这一反常现象引起了天文学家的注意：通常伽马射线暴的高能辐射会迅速衰减，而此次事件的X射线余辉持续时间更长，暗示可能存在某种持续的能量释放机制。

为进一步追踪这个“神秘源”，天文学家转向了X射线和光学波段的观测。1995年，欧洲空间局（ESA）的“X射线多镜面任务”（XMM-牛顿卫星）和美国“钱德拉X射线天文台”（Chandra）先后对准该区域，发现了稳定的X射线辐射源。与此同时，地面光学望远镜（如智利的甚大望远镜VLT）在对应天区捕捉到一颗亮度波动的恒星——这正是黑洞吸积伴星物质时产生的特征信号。

通过分析X射线与光学波段的光谱数据，科学家确认这是一个X射线双星系统：一颗不可见的致密天体（即黑洞）与一颗普通恒星（后来被证实为蓝巨星HDE ）组成双星对。致密天体通过强大的引力从伴星表面吸积物质，这些物质在下落过程中因摩擦加热形成高温吸积盘，释放出强烈的X射线。基于其X射线辐射特征与质量估算（约7倍太阳质量），这个致密天体被归类为恒星级黑洞，并被命名为GRO J1655-40（“GRO”源于发现它的康普顿伽马射线天文台，“J”表示赤经，“1655-40”是赤经16h55m、赤纬-40°的坐标）。

二、恒星级黑洞的“身份档案”：质量、自旋与吸积盘

要理解GRO J1655-40的独特性，首先需要明确其“恒星级黑洞”的本质。恒星级黑洞是大质量恒星（质量通常超过20倍太阳质量）演化末期的产物：当恒星核心的核燃料耗尽，辐射压无法抵抗引力坍缩，核心会在瞬间坍缩成黑洞，外层物质则可能被剧烈抛射，形成超新星爆发。与星系中心的超大质量黑洞（质量可达百万至百亿倍太阳质量）不同，恒星级黑洞的质量通常在3-100倍太阳质量之间，是宇宙中最常见的黑洞类型。

GRO J1655-40的质量约为7倍太阳质量，符合恒星级黑洞的典型范围。但更值得关注的是其自旋参数——通过分析吸积盘的X射线光谱，特别是铁元素的Kα发射线（一种因强引力场发生相对论性展宽的谱线），天文学家发现它的自旋速度极快，接近广义相对论允许的“最大自旋”（即克尔黑洞的极限，自转周期仅需数毫秒）。这种高速自旋并非偶然：吸积盘的物质在落入黑洞时，会将角动量传递给黑洞，如同给旋转的陀螺不断“上发条”。GRO J1655-40的高速自旋可能源于其形成时的初始角动量，或是长期吸积伴星物质的结果。

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