黑洞質量為何會有“禁區(qū)”呢?這得從恒星結構及演化理論說起。大質量恒星一般指比太陽質量大8倍以上的恒星。和所有恒星一樣，大質量恒星從誕生后，就開始燃燒其核心區(qū)的輕元素，這是恒星一生中最為漫長的階段。當耗盡“核燃料”之后，恒星進入生命末期，由于沒有能量抵抗自身引力，恒星會快速坍縮為黑洞。但科學家通過細致的研究發(fā)現，事情并不那么簡單。恒星級黑洞存在一個質量“禁區(qū)”，質量處于“禁區(qū)”范圍內的恒星其核心的高能伽馬射線會有效轉換為正負電子對，而伽馬射線的減少會導致核心內部產生的熱壓力突然降低，使恒星無法抵抗自身引力而迅速塌縮，進而產生超新星爆發(fā)并將恒星完全吹散，不會產生黑洞。這個黑洞質量“禁區(qū)”被稱為“對不穩(wěn)定性質量間隙”(pair instability mass gap)。
LIGO-Virgo測量到的雙星并合引力波事件
黑洞無法直接觀測，可以通過間接方式得知其存在與質量。研究表明，黑洞質量“禁區(qū)”的位置和寬度與被稱為核天體物理“圣杯”反應的12C(α,γ)16O的反應率有很強的依賴關系。較大的“圣杯”反應的天體物理反應率可以提高大質量恒星在核心氦燃燒結束之后16O的豐度，從而導致隨后的恒星燃燒過程有利于產生更多的正負電子對，使得黑洞質量“禁區(qū)”的上下限降低。近年來激光干涉引力波天文臺(LIGO)和室女座引力波天文臺(Virgo)的引力波探測提供了大量的恒星級黑洞質量數據(見上圖)，使基于恒星演化模型對黑洞質量“禁區(qū)”進行計算和驗證成為可能。然而，“圣杯”反應的反應率誤差目前還達不到恒星演化模型要求的10%的精度，且部分關鍵反應參數還存在較大分歧。
左圖為黑洞質量與形成黑洞前的恒星氦核心初始質量間的關系，右圖為LIGO-Virgo黑洞質量的數據
在本項研究中，項目團隊利用原子能院的北京HI-13串列加速器，對“圣杯”反應中的關鍵參數16O基態(tài)漸進歸一化系數(ANC)進行了測量，通過高精度角分布數據和物質半徑約束克服了16O束縛態(tài)勢的巨大不確定性，給出了高精度的“圣杯”反應截面及反應率。經計算，“圣杯”反應的天體物理反應率比當前最新編評值提高了21%，這一結果使黑洞質量“禁區(qū)”上限由原來的139倍太陽質量下降到132倍太陽質量，下限由59倍太陽質量下降到52倍太陽質量(見上圖)。該結果為激光干涉引力波天文臺和室女座引力波天文臺發(fā)現的大量恒星級黑洞質量分布提供了可靠的理論解釋。
該工作獲得了科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、財政部穩(wěn)定支持研究經費、中核集團青年英才等項目的支持。
