黑洞质量为何会有“禁区”呢?这得从恒星结构及演化理论说起。大质量恒星一般指比太阳质量大8倍以上的恒星。和所有恒星一样，大质量恒星从诞生后，就开始燃烧其核心区的轻元素，这是恒星一生中最为漫长的阶段。当耗尽“核燃料”之后，恒星进入生命末期，由于没有能量抵抗自身引力，恒星会快速坍缩为黑洞。但科学家通过细致的研究发现，事情并不那么简单。恒星级黑洞存在一个质量“禁区”，质量处于“禁区”范围内的恒星其核心的高能伽马射线会有效转换为正负电子对，而伽马射线的减少会导致核心内部产生的热压力突然降低，使恒星无法抵抗自身引力而迅速塌缩，进而产生超新星爆发并将恒星完全吹散，不会产生黑洞。这个黑洞质量“禁区”被称为“对不稳定性质量间隙”(pair instability mass gap)。
LIGO-Virgo测量到的双星并合引力波事件
黑洞无法直接观测，可以通过间接方式得知其存在与质量。研究表明，黑洞质量“禁区”的位置和宽度与被称为核天体物理“圣杯”反应的12C(α,γ)16O的反应率有很强的依赖关系。较大的“圣杯”反应的天体物理反应率可以提高大质量恒星在核心氦燃烧结束之后16O的丰度，从而导致随后的恒星燃烧过程有利于产生更多的正负电子对，使得黑洞质量“禁区”的上下限降低。近年来激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台(Virgo)的引力波探测提供了大量的恒星级黑洞质量数据(见上图)，使基于恒星演化模型对黑洞质量“禁区”进行计算和验证成为可能。然而，“圣杯”反应的反应率误差目前还达不到恒星演化模型要求的10%的精度，且部分关键反应参数还存在较大分歧。
左图为黑洞质量与形成黑洞前的恒星氦核心初始质量间的关系，右图为LIGO-Virgo黑洞质量的数据
在本项研究中，项目团队利用原子能院的北京HI-13串列加速器，对“圣杯”反应中的关键参数16O基态渐进归一化系数(ANC)进行了测量，通过高精度角分布数据和物质半径约束克服了16O束缚态势的巨大不确定性，给出了高精度的“圣杯”反应截面及反应率。经计算，“圣杯”反应的天体物理反应率比当前最新编评值提高了21%，这一结果使黑洞质量“禁区”上限由原来的139倍太阳质量下降到132倍太阳质量，下限由59倍太阳质量下降到52倍太阳质量(见上图)。该结果为激光干涉引力波天文台和室女座引力波天文台发现的大量恒星级黑洞质量分布提供了可靠的理论解释。
该工作获得了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、财政部稳定支持研究经费、中核集团青年英才等项目的支持。
