磁單極驅(qū)爆超新星暴提供地球核心與白矮星能源的統(tǒng)一模型課件

1、磁單極驅(qū)爆超新星等天體能源的統(tǒng)一模型彭秋和(南京大學(xué)天文系)I. 天體物理學(xué)中的重大迷團(tuán)超新星分類(按爆發(fā)機(jī)制分類)1. 核心坍縮型超新星(SNII、SNIb、SNIc , SLSN) 2. 吸積白矮星的熱核爆炸型超新星(SNIa)超新星爆發(fā)之謎SNII、SNIb、SNIc ( 長(zhǎng) 暴的起源)、SLSN 前身星初始主序質(zhì)量 :m爆發(fā)能量總輻射能 Er 1049 ergs (對(duì)各類超新星)拋射物總動(dòng)能: EK 1051 ergs (對(duì)各類超新星) 104 Km/sSN Ia : Vmax 104 Km/sSN II: 一般: Vmax 104 Km/s SN 1987A: Vmax 3104 K

2、m/s(引力)束縛能: EB (0.5 1.0) 1051 ergs (對(duì)各類超新星)爆發(fā)總能量: SN Ia: E總 = Er+EK+EB 1051 ergs SN II: 中微子暴: E 1053 ergs (SN 1987A) (核心坍縮成中子星) E總 1053 ergs 關(guān)于核心坍縮型超新星爆發(fā)的爭(zhēng)論Buras et al., 2003, Phys. Rev. Lett., 90 No. 24, 241101“Improved Models of Stellar Core Collapse and Still No Explosions: What is Missing?”M.Lie

3、bendrfer, 2004, arXiv:astro-ph/0405029 “Fifty-Nine Reasons for a supernova to not Explode”Woosley: “如果利用更好的中微子物理、更加全面地考慮各種不對(duì)稱因素(例如，旋轉(zhuǎn)、對(duì)流、磁場(chǎng)因素)和不穩(wěn)定因素,我相信再過(guò)幾年，超新星爆發(fā)的模擬計(jì)算可能會(huì)取得成功的” (on the conference AwR V, Sep. 2005, at Clemson University, USA)超亮超新星(SLSN)峰值光度的絕對(duì)星等 :通常的超新星的峰值光度的絕對(duì)星等 :東蘇勃等人發(fā)現(xiàn)了迄今最亮的超亮超新星A

4、SASSN-15lh (2015,9月):爆發(fā)峰值光度后15天后它的光度仍然達(dá)到(它是已知的最亮超新星光度的兩倍),4個(gè)月內(nèi)它的輻射能量達(dá)到迄今，SNII、SNIb、SNIc、SLSN 的爆發(fā)機(jī)制仍然是謎。SLSN爆發(fā)的能量如此巨大，更是茫然不知所措!超新星前身星的質(zhì)量(估算): SNII SNIb SNIc SLSN (8-25) M (30-60) M (70-100) M (120-150) M暗爆發(fā)的超新星很弱的爆發(fā):例如, Cas A (1668年)最近Chandra衛(wèi)星探測(cè)到銀河系內(nèi)在110年前爆發(fā)的超新星遺跡(暗爆發(fā))原因與爆發(fā)機(jī)制?地球內(nèi)部核心熔融狀態(tài)的熱源問(wèn)題地球核心區(qū)蘊(yùn)藏的

5、總熱量地球全部地殼向外輸送熱流的速率：(Davies, J. H., & Davies, D. R. (2010). “Earths surface heat flux”. Solid Earth, 1(1), 524).熱傳導(dǎo)時(shí)標(biāo):結(jié)論: 地球核心區(qū)需要熱源! 地球內(nèi)部放射性元素能源估算最重要的三種放射性元素產(chǎn)生的熱量 為: 鈾系: 0.78卡(年.克(U)-1 ; 釷系: 0.20卡(年.克(Th)-1; 鉀系: 410-6卡(年.克(K)-1。最重要的放射性元素為鈾(U)。 U 元素豐度:(原子數(shù)豐度), 質(zhì)量豐度為 5億年之內(nèi), 地球內(nèi)放射性元素U總共釋放的總熱能為結(jié)論: 放射性元素遠(yuǎn)

6、遠(yuǎn)不能提供地球核心熱熔狀態(tài)的能源。地球內(nèi)部溫度六千度，也不可能點(diǎn)燃熱核反應(yīng)。需要另外尋求能源。白矮星冷卻之謎絕大多數(shù)白矮星 :白矮星典型半徑:典型光度:白矮星內(nèi)部無(wú)核能源：白矮星內(nèi)部蘊(yùn)藏的總熱能: 冷卻時(shí)標(biāo) :問(wèn)題:為何迄今沒(méi)有表面溫度低于3000K的晚M型和N型白矮星? 它們具體的熱源是什么？ II.磁單極問(wèn)題 I. 磁單極及其數(shù)量1931年 Dirac預(yù)言存在磁單極20C. 70年代：tHooft 磁單極:磁荷: RC效應(yīng)：磁單極催化核子衰變 磁單極含量: (Parker上限) 牛頓飽和值:星體內(nèi)物質(zhì)對(duì)其聚集區(qū)表面處一個(gè)磁單極所受到來(lái)自星體中心的牛頓引力同它受到星體內(nèi)部(相同極性的)總磁荷

7、的磁Coulomb排斥力相平衡條件:Strongly coupled plasma with electric and magnetic chargesJinfeng Liao and Edward Shuryak (PHYSICAL REVIEW C 75, 054907 (2007)粒子物理學(xué)近年來(lái)的最新有關(guān)研究“Strongly coupled plasma with electric and magnetic charges”Jinfeng Liao and Edward Shuryak (PR C, 75, 054907 (2007)提出了semi-Quark-Gluon-Monop

8、ole Plasma (sQGMP)的概念“Production of Semi Quark Gluon Monopole Plasma by Glasma Decay” (2016年4月發(fā)表在PRC上)，計(jì)算了background color electric and magnetic fields decay 產(chǎn)生Gluon和Monopole的數(shù)密度和溫度。這種新的物質(zhì)的引入成功的同時(shí)解釋了RHIC和LHC實(shí)驗(yàn)中的噴注的RAA和v2的數(shù)據(jù)，有一定的實(shí)驗(yàn)支持。宇宙早期演化到鄰近相變溫度Tc時(shí)，也不排除會(huì)有這樣sQGMP存在。Y.H. Cho & J. Pinfold, 2013, “ Ele

9、ctroweak Monopole production at the LHC a Snowmass White Paper”, arXiv: 1307.8390v1, 31 Jul 2013.D.G. Pak, P.M. Zhang and L.P. Zou, 2015, “ On finite energy monopole solutions in Weinberg-Salam model”各類天體內(nèi)部包含的磁單極數(shù)量在宇宙早期物質(zhì)處于高溫等離子體狀態(tài)，在磁單極同等離子體的強(qiáng)烈電磁相互作用下，相當(dāng)數(shù)量的磁單極隨著超巨質(zhì)量不穩(wěn)定的等離子體氣體云坍縮到新形成的類星體與活動(dòng)星系核(包括銀河系中

10、心天體)的核心區(qū), 這類天體可能包含較多的磁單極(達(dá)到牛頓飽和值)。通常的恒星和行星，它們形成于坍縮的大質(zhì)量中性氫云。由于磁單極同中性氫原子的相互作用非常微弱，因而極少的磁單極跟隨中性氫云的坍縮而聚集在恒星或行星的核心。通常恒星和行星內(nèi)部包含的磁單極主要是它們形成以后的一生中從宇宙太空中俘獲來(lái)的。在恒星和行星(包括地球)表面處截獲的在空間飛行的磁單極數(shù)量(流量):流量太小，迄今地球上物理實(shí)驗(yàn)無(wú)法探測(cè)。恒星(行星)一生中俘獲太空中飛行磁單極的數(shù)量地球形成以來(lái)一生中俘獲的磁單極數(shù)目 個(gè)。這些超重磁單極都集中在地球核心半徑 1km范圍內(nèi)。因此整個(gè)地幔、地殼、表面都不可能有磁單極。這就是迄今所有物理驗(yàn)

11、未能探測(cè)到磁單極的真正原因。各類探測(cè)磁單極的否定性結(jié)果只能證實(shí)我們指出的在地球表層沒(méi)有磁單極。恒星和行星在誕生以后，可以通過(guò)它們一生中從宇宙太空中俘獲的磁單極數(shù)目。1985年我們就對(duì)它進(jìn)行過(guò)估算，俘獲的磁單極數(shù)目同恒星表面積成正比，也同年齡成正比。地球物理實(shí)驗(yàn)室未能探測(cè)到磁單極的原因迄今為止為搜尋與探測(cè)磁單極的各種物理實(shí)驗(yàn)都沒(méi)有找到磁單極，給出了磁單極的數(shù)目同核子數(shù)目的比值上限 (, 維基百科,自由的百科全書(shū),2016年新版) 。地球內(nèi)部所有的磁單極( ) 都沉降在地球的核心內(nèi)。在地球表層(或地殼)進(jìn)行的任何物理實(shí)驗(yàn)不可能發(fā)現(xiàn)磁單極。所有這些各種實(shí)驗(yàn)都是在地球表層(或地殼)進(jìn)行的。1969年美

12、國(guó)NASA發(fā)射了一顆圍繞月球運(yùn)行的人造衛(wèi)星Explorer 35, 上面安裝了GSFC magnetometer, 其科學(xué)目的就是測(cè)量月球磁北極與磁南極磁場(chǎng)的差異來(lái)測(cè)定月球可能包含的磁單極數(shù)目。1970年和1983年兩次先后分析測(cè)量的結(jié)果, 給出磁單極目同核子數(shù)目比的上限為 月球半徑約為地球半徑的1/4, 表面面積小16倍。天體俘獲太空中的磁單極數(shù)目同天體表面積成正比。因此, (沉降在核心內(nèi)的)月球可能包含的磁單極數(shù) 月球質(zhì)量: 同上述測(cè)量不矛盾。如果上述GSFC magnetometer精度再提高兩個(gè)量級(jí)以上，就可以檢驗(yàn)。 RC光度在磁單極聚集核心區(qū),通過(guò)磁單極催化核子衰變反應(yīng)(RC效應(yīng))，

13、產(chǎn)生的總光度:按照這個(gè)統(tǒng)一的公式以及通過(guò)磁單極催化核子衰變反應(yīng)(RC效應(yīng))作為能源來(lái)繼續(xù)深入探討天體物理學(xué)中一系列未知能量來(lái)源的謎團(tuán)。例如：類星體與活動(dòng)星系核(包括銀河系中心天體)的能源問(wèn)題、各類超新星爆發(fā)和 暴的爆發(fā)機(jī)制以及白矮星和地球核心的能量來(lái)源問(wèn)題。在天體核心中的微量磁單極很可能起作最為關(guān)鍵的重大作用。III.含有磁單極的活動(dòng)星系核模型 問(wèn)題(1983年) ：如果粒子物理學(xué)中有關(guān)磁單極的觀念及其RC效應(yīng)是正確的，它會(huì)對(duì)天體物理學(xué)帶來(lái)什么重要的作用?它們會(huì)產(chǎn)生哪些重要的觀測(cè)效應(yīng)?利用磁單極催化核子衰變反應(yīng)作為能源, 在30年前我們就提出了, .主要思路:1) 我們利用磁單極催化核子衰變?yōu)?/p>

14、輕子作為類星體、活動(dòng)星系核的主要能源來(lái)替代黑洞模型 (周圍的吸積流模型只是作為次要能源)。2) 星系核心的超巨質(zhì)量天體在其周圍附近區(qū)域的引力效應(yīng)類似于黑洞. 含有足夠數(shù)量磁單極的超巨質(zhì)量天體既無(wú)黑洞視界面、也無(wú)中心奇異性, 這是由于磁單極催化核子衰變反應(yīng)的速率正比于物質(zhì)密度的平方. 衰變出來(lái)的輕子與光子向外發(fā)射, 因此中心密度不可能趨向無(wú)窮大.結(jié)合粒子物理學(xué)中的RC效應(yīng),避免了經(jīng)典廣義相對(duì)論的黑洞理論呈現(xiàn)的中心奇異性問(wèn)題.我們模型的主要預(yù)言及其觀測(cè)檢驗(yàn)對(duì)于銀河系中心超巨質(zhì)量天體, 我們模型的五個(gè)主要預(yù)言(2001) :1) 產(chǎn)生并發(fā)射大量正電子, 產(chǎn)生率約為 在銀心方向呈現(xiàn)非常強(qiáng)的 正、負(fù)電子

15、湮滅譜線(0.511 MeV 射線).我們預(yù)言的正電子產(chǎn)生率在定量上被2003年高能天文觀測(cè) 相吻合。(Astron. Astrophys. 411(2003)457-460)2)同時(shí)發(fā)射能量高于0.511 MeV的高能輻射, 其積分總能量不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正、負(fù)電子湮滅譜線的總能量, 也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中心天體的熱光度. 這個(gè)預(yù)言也同觀測(cè)相吻合。3)關(guān)于徑向磁場(chǎng)(排它性)的預(yù)言聚集在銀心的超巨質(zhì)量天體區(qū)域內(nèi)的磁單極將產(chǎn)生強(qiáng)大的徑向磁場(chǎng),在天體表面(半徑約為50 a.u. )處磁場(chǎng)強(qiáng)度約為(20100) Gauss。由于徑向磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著距離平方成反比衰減,在 r=0.12pc 處,磁場(chǎng)強(qiáng)度約為(1050)

16、mG。這個(gè)預(yù)言同測(cè)量的磁場(chǎng)下限值(8mG)（,2013)在定量上相當(dāng)吻合. 這個(gè)預(yù)言是排它性的預(yù)言：只有我們的模型才能夠產(chǎn)生, 其它任何模型都將被排斥與否定. 推論： 2013年在銀心附近發(fā)現(xiàn)反常強(qiáng)的徑向磁場(chǎng)。如此強(qiáng)大的徑向磁場(chǎng)必然阻擋銀心外圍吸積盤(pán)的等離子體物質(zhì)進(jìn)入銀心內(nèi)區(qū), 因而從銀心方向觀測(cè)到的大量輻射(射電、紅外、X-ray)不可能是由吸積物質(zhì)產(chǎn)生的. 由此推斷:來(lái)自銀河系中心的輻射不可能是由黑洞模型及其吸積盤(pán)產(chǎn)生的。銀河系中心天體不是黑洞。 4)如果我們假設(shè)在離地球50Mpc范圍內(nèi)所有活動(dòng)星系核中心都是這類含有飽和磁單極的超巨質(zhì)量天體, 則它們可能是觀測(cè)到的極端超高能(能量達(dá)到 )宇

17、宙線的源泉。5) 我們預(yù)言了在銀心的超巨質(zhì)量天體表面溫度約為120 K . 同它相應(yīng)的熱輻射能譜的峰值約為 (位于亞毫米波段),這同近年來(lái)的天文觀測(cè)結(jié)果, ( )相當(dāng)接近。Falcke H., and Marko S. B., 2013, “Towards the event horizon - the supermassive black hole in the Galactic Center”，arXiV:1311.1841V1 astro-ph.HE, 7 Nov. 2013反常強(qiáng)的徑向磁場(chǎng)觀測(cè)可能具有兩個(gè)重大意義:1)銀河系中心附近發(fā)現(xiàn)反常強(qiáng)磁場(chǎng)的事實(shí)可能是磁單極存在的強(qiáng)烈天文觀測(cè)證據(jù)

18、. 我們的有可能是合理的。2)來(lái)自銀河系中心方向的輻射不可能是迄今流行的 “黑洞及其吸積盤(pán)模型”產(chǎn)生的 一IV. 磁單極驅(qū)爆超新星等天體能源的統(tǒng)一模型地球的RC光度白矮星的RC光度超新星爆發(fā)之謎磁單極催爆超新星的統(tǒng)一模型大質(zhì)量恒星俘獲的磁單極數(shù)目各類超新星的RC光度超新星爆發(fā)具體物理?xiàng)l件RC光度產(chǎn)生的輻射壓強(qiáng)超新星爆發(fā)后的殘留中子星(非黑洞)地球的RC光度地球全部地殼向外輸送熱流的速率白矮星的RC光度為了維持白矮星的輻射光度(典型值)如果我們選取地球值:實(shí)際的白矮星輻射光度對(duì)白矮星前身星條件的限值恒星一生中俘獲太空中飛行磁單極的數(shù)量被俘獲的超重的磁單極聚集在星體的核心區(qū)域內(nèi)，磁單極聚集的濃度仍

19、然是 核心區(qū)半徑:磁單極聚集的核心區(qū)物質(zhì)總質(zhì)量:雖然它占星體總質(zhì)量的極其微小部分,但是它通過(guò) RC 效應(yīng)(磁單極催化核子衰變反應(yīng))所提供的光度(簡(jiǎn)稱為RC光度)可能非常巨大，它取決于天體中心區(qū)域的物質(zhì)密度。 恒星在誕生以后，可以通過(guò)它們一生中從宇宙太空中俘獲的磁單極數(shù)目。俘獲的磁單極數(shù)目同恒星表面積成正比，也同年齡成正比。超新星爆發(fā)的具體物理原因與條件超新星的RC光度當(dāng)星體核心坍縮時(shí)，如果RC光度超過(guò)Eddington光度不多，就不會(huì)出現(xiàn)掹烈的爆發(fā)，但可能呈現(xiàn)出很弱的爆發(fā)(例如, Cas A,以及最近Chandra衛(wèi)星探測(cè)到銀河系內(nèi)在110年前爆發(fā)的超新星遺跡(暗爆發(fā)),只有當(dāng)RC光度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)

20、整個(gè)星的 Eddington 光度時(shí)，才能導(dǎo)致整個(gè)星體爆發(fā)，即超新星強(qiáng)爆發(fā)條件:(爆發(fā)瞬間) 超新星峯值光度(續(xù))隨著SNII、SNIb、SNIc、SLSN序列，超新星前星是質(zhì)量的增長(zhǎng)，它們的Eddington 光度增長(zhǎng)。為了能夠使它們爆發(fā)，達(dá)到所需要的RC光度, 超新星的坍縮核心必須壓縮到 10-2nnuc 或密度更大(接近甚至超過(guò)原子核密度的程度)在大質(zhì)量恒星坍縮過(guò)程中，由于高密度下鐵族元素迅速電子俘獲過(guò)程致使自由電子數(shù)目和簡(jiǎn)并電子氣體壓強(qiáng)迅速下降，核心坍縮過(guò)程接近于自由坍縮過(guò)程(向內(nèi)坍縮速度約為自由坍縮速度的一半)，質(zhì)量愈大的恒星，這種自由坍縮速度愈快,星體核心壓縮得愈緊密，使得 愈大，

21、RC光度愈高。由此可以得出結(jié)論:隨著SNII、SNIb、SNIc、SLSN序列，超新星前身星質(zhì)量的增長(zhǎng), 導(dǎo)致超新星爆發(fā)的光度大致同超新星前身星的質(zhì)量成正比。這基本上符合大家公認(rèn)的觀念。RC光度產(chǎn)生的輻射壓強(qiáng)通過(guò)RC光度的輻射壓強(qiáng)非常巨大，可以忽略物質(zhì)的非相對(duì)論中子氣體簡(jiǎn)并壓強(qiáng)。當(dāng)星體猛烈向外爆炸, 導(dǎo)致猛烈的超新星爆發(fā)現(xiàn)象把代入上式, 再次得出前述超新星劇烈爆發(fā)的條件。星體動(dòng)力學(xué)方程:超新星爆發(fā)以后超新星爆發(fā)瞬間，天體核心物質(zhì)密度接近或超過(guò)原子核密度，聚集在核心中的磁單極催化核子衰變反應(yīng)產(chǎn)生的RC光度及其輻射壓非常巨大, 使得包括星體核心在內(nèi)的整個(gè)星體物質(zhì)(處于高溫等離子體狀態(tài))向外拋射。核

22、心區(qū)域的磁單極通過(guò)電磁相互作用也隨著等離子體物質(zhì)向外拋射。星體核心區(qū)域物質(zhì)密度急劇下降，核心區(qū)磁單數(shù)目也下降，因此RC光度及其輻射壓強(qiáng)將會(huì)大幅度降低。此后那些拋射速度低于逃逸速度的物質(zhì)(包括一些磁單極)開(kāi)始向星體中心回落。它使得星體中心的物質(zhì)密度再次較快地增長(zhǎng)。星體核心內(nèi)的磁單極仍然持續(xù)不斷地催化核子衰變產(chǎn)生RC光度和相應(yīng)的輻射壓, 抗拒著回落物質(zhì)的坍縮。由于RC光度 , 中心物質(zhì)密度不僅不可能趨向于無(wú)窮大，而且將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于核密度(否則將出現(xiàn)再次爆發(fā)。殘留的星體最后終于會(huì)達(dá)到某種穩(wěn)定的平衡狀態(tài):它內(nèi)部核心磁單極催化核子衰變產(chǎn)生RC光度必定遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這個(gè)殘留星體的Eddington光度。殘留的中子

23、星當(dāng)殘留的星體處于平衡狀態(tài)時(shí), RC光度大大降低到甚至不能使rE 以外的物質(zhì)向外驅(qū)動(dòng)。這時(shí), 很厚的外層物質(zhì)因強(qiáng)大引力作用使得物質(zhì)壓縮到原子核密度，形成中子星或大質(zhì)量(甚至超大質(zhì)量)中子星?？傊?，由于核心RC效應(yīng)催化核子衰變反應(yīng)作為能源，質(zhì)量再大的中子星也不會(huì)坍縮成黑洞。超新星爆發(fā)后存留的殘骸是類似于中子星的一種天體: 中心最內(nèi)部核心的物質(zhì)密度不高, 由于殘存的磁單極持續(xù)不斷地催化核子衰變，提供能源、產(chǎn)生強(qiáng)大的輻射壓，使得這個(gè)天體不會(huì)坍縮成黑洞。我們的分析可以得到另外的重要推論:中子星質(zhì)量可能沒(méi)有上限，至少?zèng)]有迄今公認(rèn)為的 的上限。按照我們的觀念，通過(guò)SNII爆發(fā)形成的中子星同通常人們討論的中

24、子星的差異僅僅是它的最內(nèi)層核心區(qū)具有我們上述的特殊結(jié)構(gòu)。至于SNIb、SNIc和SLSN這些前身星更大的大質(zhì)量或超大質(zhì)量的恒星，通過(guò)超新星爆發(fā)后，存留的殘骸不會(huì)坍縮中心密度無(wú)窮大的黑洞，而是具有上述特殊結(jié)構(gòu)的大質(zhì)量或超大質(zhì)量中子星。 長(zhǎng) 暴可能起源于Ic型超新星。因而我們認(rèn)為它同樣地是由上述磁單極驅(qū)動(dòng)的機(jī)制。引力波亊件是否同 暴亊件成協(xié)?Advanced LIGO引力波亊件GW150914:(2016年2月12日宣布)LIGO的天文學(xué)家是利用質(zhì)量分別大約為的兩個(gè)黑洞碰撞的模型去擬合產(chǎn)生引力波，兩個(gè)黑洞并合(merge)后形成質(zhì)量約為 的黑洞。釋放的引力波總能量約為 2月16日美國(guó)Fermi GBM 的 暴探測(cè)小組報(bào)道:在引力波探測(cè)的時(shí)間內(nèi)，在引力波的方向上，幾乎同時(shí)(0.4sec后) 探測(cè)到50KeV的微弱短 暴亊件(持續(xù)時(shí)間為1秒鐘)。 從(1keV-10MeV)波區(qū)內(nèi)非熱輻射的光度為 。他們認(rèn)為這個(gè) 暴亊件與LIGO引力波亊件GW150914成協(xié)。 2月23日M. Lyutikov的論文: 對(duì)這次引力波亊件與 暴亊件成協(xié)性提出了不同的看法。作者第一個(gè)論據(jù)是另一個(gè)X-ray空間探測(cè)器 INTEGRAL并未探測(cè)到與引力波亊件成協(xié)的 暴亊件(INTEGRAL X-ray空間探測(cè)器在50keV 能區(qū)的靈敏度太低)。作者主要詳細(xì)分析了黑洞及其周圍吸積等離子體流環(huán)境下各種可能