近日，《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版（SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy）在线发表了中国科学院紫金山天文台等单位共同完成的最新研究成果。联合团队利用GWTC-4.0引力波观测数据，首次在统计中揭示50至70倍太阳质量区间存在一类全新的“低自旋”大质量黑洞族群。这一发现不仅将理论预言的“对不稳定超新星（PISN）黑洞质量间隙”下边界大幅推高至约65倍太阳质量，还限定了恒星演化中至关重要的碳氧核反应率。

大质量恒星的“终结方式”一直是天体物理学的核心议题。理论认为，当大质量恒星演化至末期，若其拥有巨大的碳氧核心，核心的极高温度会引发正负电子对的产生，导致恒星内部压力骤降并引发剧烈坍缩，最终触发猛烈的“对不稳定超新星”（PISN）爆发。这种爆发会将恒星彻底炸碎，不留下任何黑洞残骸。因此，宇宙黑洞质量分布谱上应存在一个无“恒星级黑洞”的空白区域，即所谓的“PISN质量间隙”。

该质量间隙的下边界具有极高的科学价值，不仅是区分第一代（恒星直接坍缩形成）与第二代（黑洞并合形成）黑洞的关键分水岭，更是探测核天体物理“圣杯”反应——碳-12与氦-4融合生成氧-16（12C(α,γ)16O）——的独特探针。然而，受限于观测样本，该下边界具体位置长期以来存在争议。此前，基于早期引力波数据，包括紫金山天文台等国际多组研究曾认为该边界位于约45倍太阳质量处；但随着LIGO–Virgo–KAGRA探测器网络捕获的双黑洞并合事件迅速增多，这一传统认知亟待重新审视。

紫金山天文台范一中研究团队联合浙江工业大学、南京大学，充分挖掘黑洞“质量与自旋联合分布”的科学潜力。团队开发了一种创新的、高度灵活的数据驱动星族模型，能够在同一框架内联合描述黑洞的质量、自旋大小及自旋方向，从而精准剥离出不同物理起源的黑洞子族群。

基于GWTC-4.0引力波星表数据，研究发现在50至70倍太阳质量区间存在一个全新的低自旋黑洞子族群。在天体物理图像中，若大质量黑洞由较小黑洞“层级并合”形成，其自旋通常高达约0.7；而此次发现的“高质量+低自旋”组合特征，强烈暗示它们并非并合产物，而是由大质量单星直接坍缩形成的。

这一关键发现直接将“恒星起源”黑洞的质量上限（即PISN质量间隙下边界）大幅推高至约65倍太阳质量，如图1所示（蓝线与绿线）。基于这一全新的质量截断边界，研究团队进一步向上游物理溯源，成功推算出恒星碳燃烧阶段关键反应12C(α,γ)16O在300 keV处的s因子约为110 keV b。这一由宏观引力波数据反推得出的微观核反应率，与当前国际最权威的核物理理论（如deBoer等人的推荐值约140keV b）有较高的吻合度。此外，如此高的间隙边界，能自然地解释为何天文观测中贫氢超亮超新星的发生率如此之低。

中国科学院国家天文台赵刚院士在同期期刊专门撰写了“编辑推荐”（Editor's Focus）评论文章。赵刚院士高度评价了该工作的科学意义，指出尽管黑洞的吸积或并合过程会模糊质量间隙的边界，但该团队通过联合分析黑洞质量与自旋分布成功实现了“破局”，这一成果完美展示了引力波星族分析在推动基础核天体物理研究方面的不可替代潜力。

随着引力波探测器网络观测运行的推进及升级，双黑洞样本量将快速增长。引力波观测正逐步从“发现时代”迈入“精密测量时代”，有望成为解开大质量恒星演化与极端条件下核物理之谜的关键工具之一。

该研究论文通讯作者为紫金山天文台范一中研究员，紫金山天文台李银杰博士、浙江工业大学王远瞩副教授为共同第一作者，合作者包括南京大学高世杰博士、紫金山天文台唐少鹏副研究员等。本研究得到了国家自然科学基金、新基石科学基金（科学探索奖）、中国博士后科学基金以及中国科学院先导专项等项目的支持。

论文及评论链接：

研究论文：https://doi.org/10.1007/s11433-026-3004-6

编辑推荐（赵刚院士）：https://doi.org/10.1007/s11433-026-3014-0

图1：推断得到的“恒星起源”黑洞质量上限（即PISN质量间隙下边界）及对应的12C(α,γ)16O反应在 300 keV处的S因子。蓝线和绿线分别为基于GWTC-4数据利用两种独立模型得到的结果，黑线为Li等（2024, PRL, 133, 051401）基于 GWTC-3数据得到的结果。对比可见，尽管两种结果在误差范围内存在重叠，但基于 GWTC-4的推断结果显著高于GWTC-3的结果，这一偏移反映了质量大于50倍太阳质量的低自旋黑洞族群的存在。