重力波數據證實黑洞質量空隙 確立配對不穩定超新星存在

國際科學團隊透過分析重力波探測器捕捉到的黑洞合併質量數據，取得了強有力的證據，證實了理論預測中「配對不穩定超新星」（Pair-Instability Supernovae, PISNe）的確切存在。此項發現確立了一個先前被認為是恆星演化「禁區」的黑洞質量範圍，即無法直接由單一巨大恆星死亡所形成。這項關鍵研究成果於2026年4月1日發表於《自然》（Nature）期刊上，由澳洲蒙納士大學的研究人員主導。

該分析的焦點在於觀察到合併黑洞質量分佈中的一個明顯空缺，特別是針對雙星系統中較小質量黑洞的質量分佈。數據顯示，質量超過太陽45倍的黑洞極為罕見，因為其前身恆星極有可能在生命終點時經歷了配對不穩定超新星的劇烈爆炸，導致恆星完全解體，不留下任何緻密天體殘骸。參與此項研究的關鍵人物包括蒙納士大學的博士候選人童輝，他隸屬於澳洲重力波探測中心（OzGrav）；多倫多大學的Maya Fishbach教授，她同時也是加拿大理論物理研究所（CITA）的研究員；以及OzGrav的首席研究員Eric Thrane教授。

此項研究的核心在於探問宇宙中質量最大的恆星究竟如何終結其生命週期。童輝博士總結指出，觀測數據證實了在該禁制質量範圍內不存在直接由恆星產生的黑洞，原因正是前身恆星經歷了配對不穩定超新星的過程。Fishbach教授進一步指出，這些發現提供了配對不穩定超新星的間接證據，同時也確立了黑洞是透過重複合併的「階層式合併」（hierarchical mergers）過程來增長的。

配對不穩定超新星的理論模型最早可追溯至1964年由Fred Hoyle和William Fowler提出，但由於其極度罕見且難以與一般超新星區分，觀測上一直難以證實。一般而言，質量超過特定門檻的巨大恆星，在核心核融合停止後，會因光子產生物質-反物質對而導致內部壓力驟降，引發極端劇烈的爆炸，將恆星物質完全拋射，不留下黑洞殘餘。

此次研究的堅實性，在於它利用了LIGO、Virgo和KAGRA重力波觀測站網絡所收集的實際觀測數據，來驗證一個複雜的天體物理學理論。研究的強大之處在於雙重確認：一方面追溯了劇烈的恆星死亡事件，另一方面驗證了黑洞透過合併增長的機制。最新的研究聚焦於次級黑洞（較小者）的質量分佈，明確地在次級質量中觀察到此一空隙。

此外，研究人員發現，位於此質量空隙邊緣的雙黑洞系統，其自旋分佈與低於空隙的系統有所不同，這支持了這些空隙中的黑洞可能是由先前合併產生的「第二代」黑洞，而非直接由單一恆星塌縮形成。這項發現對於利用黑洞觀測來研究宇宙中最大質量恆星的核反應動力學具有深遠意義，因為它為恆星演化理論提供了關鍵的實證基礎。

蒙納士大學的天體物理學研究團隊，包括童輝在內，長期致力於重力波天文學，研究範圍涵蓋緻密物質物理、核心塌縮超新星以及重力波的應用。