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黑洞质量谱上，有一道正在抬升的“禁线”

发布者：章豆豆 2026-8-2 10:10

如果给恒星级黑洞派发“准生证”，那有些上面可能写着：超重，不予签发。

恒星级黑洞是大质量恒星死亡后的遗骸。但不是所有大质量恒星都能变成黑洞——有些质量太大的恒星，会在晚年把自己炸得干干净净，什么都不留下。这道“不予签发”的界限，就叫 对不稳定性质量间隙 。

它就像一条隐形的等高线，划在黑洞质量谱上。长期以来，天文学家相信这条线的下边界大约在45倍太阳质量（M _⊙）处。超过这个数，恒星就该被彻底炸散，不该留下黑洞。

但2026年5月，《中国科学：物理学力学天文学》（英文版）上发表的一篇论文，让事情变得有趣起来。

一群“反常”的黑洞

研究者从LIGO、Virgo和KAGRA联合发布的最新GWTC-4.0引力波目录中筛选出153个双黑洞合并事件。借助一套灵活而强大的统计模型，他们为每个黑洞做了两项“体检”——质量和自旋（即黑洞自转的快慢）。结果发现，这些黑洞竟然泾渭分明地分成了两大阵营：

〇低自旋族 ：自旋幅度小于0.4，质量相对较小，应该是恒星直接坍缩形成的“原住民”。

〇高自旋族 ：自旋接近0.8，质量可以超过100 M_⊙，多半是多次合并攒出来的“暴发户” （因为合并过程中的轨道角动量转化为了新黑洞的自转）。

按道理，低自旋族的尾巴应该在45 M _⊙左右戛然而止。但数据不答应——这条尾巴一路拖到了50到70 M_⊙，而且自旋依然很低。

低自旋意味着这些黑洞没有经历过激烈合并。换句话说，它们很可能也是“原住民”——只不过体型比预想中大得多。

45 M _⊙的误会

这就奇怪了。既然数据里有这么多50–70 M _⊙的低自旋黑洞，为什么之前大家都说禁线在45 M_⊙？

论文给出了一个很漂亮的解释。

低自旋族的质量函数在45 M _⊙附近开始下降，而高自旋族的质量函数正好在那里上升。两条曲线一降一升，交在了45 M_⊙处。如果用一个简单模型去“一刀切”，自然会切在这个交点。

但交点不等于禁区起点。好比两座山的山坡在山谷交汇，山谷的高度并不代表山脚的海拔。所以，45 M _⊙可能从来就不是禁区边界，而是一个统计投影的巧合。

禁线到底在哪？

经过严谨计算，研究者给出了低自旋族质量上限的最佳估计约为68.5 M _⊙（90%的可信区间：50-88M_⊙）。

这个数字不仅高于45 M _⊙，而且与一些理论模型的预测吻合——那些模型认为，在某些条件下，恒星可以直接坍缩成60–70 M_⊙的黑洞。

更重要的是，这个禁线下沿的数字可以用来反推一个关键的核反应速率：¹²C(α,γ)¹⁶O。这个反应决定了恒星内部碳氧核的命运。反应越快，核心留下的碳就越少，恒星就越难撑过对不稳定性（更容易被完全炸毁），能形成的黑洞质量上限（禁线）就越低。反之，反应越慢，禁线就抬高。

研究者算出的反应率参数大约是108.6，比传统的推荐值（约140）偏低，但与近年的一些独立分析结果一致。因此，禁线抬高了。

故事还没讲完

当然，68.5 M _⊙只是一个统计推断，误差范围不小。45 M_⊙以下的可能并没有被彻底排除。目前为止，没有任何单颗黑洞被确切证实处于60 M_⊙以上且自旋极低。

这批“慢转胖子”的来源有两种可能：要么是对不稳定性超新星（PISN：大质量星晚年因“光子变正负电子对”而整颗炸散、不留黑洞的超新星）禁区确实抬高了，要么是超大质量单星直接坍缩后通过动力学捕获凑成了一对。现有数据还不足以区分。

好消息是，GWTC-4.0只是O4观测期的一部分。完整的目录发布后，样本量将翻倍。等到下一代探测器升级完成，精度还会大幅提升。到那时，这道“禁线”究竟划在哪里，应该会有更确定的答案。

对于天体物理学家来说，这不仅仅是一个数字问题。一旦这个禁区下沿被精确定位，就等于用引力波做了一把尺子，去丈量恒星内部的核反应——这是任何地面实验室都难以复现的极端条件。

用黑洞来研究原子核，听起来有点绕，但这正是引力波天文学最迷人的地方。

黑洞天文物理力学

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