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近日，由原子能院聯合深圳大學、美國圣母大學、中科院近物所、北京航空航天大學、印度技術大學、薩哈核物理研究所、北京師范大學開展的“12C(α,γ)16O天體反應率實驗測量及其對黑洞質量間隙的影響”研究，為預言恒星級黑洞質量提供了最高精度數據。該研究成果在國際天體物理領域權威期刊The Astrophysical Journal（《天體物理期刊》）發表，第一作者和通訊作者為原子能院副研究員諶陽平，原子能院研究員郭冰、圣母大學教授R. J. deBoer和深圳大學副教授李二濤為共同通訊作者。
黑洞質量為何會有“禁區”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現，事情并不那么簡單。恒星級黑洞存在一個質量“禁區”，質量處于“禁區”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并將恒星完全吹散，不會產生黑洞。這個黑洞質量“禁區”被稱為“對不穩定性質量間隙”（pair instability mass gap）。
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”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”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”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。
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”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計劃、國家自然科學基金、財政部穩定支持研究經費、中核集團青年英才等項目的支持。