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(南京大學天文系)I. 天體物理學中的重大迷團超新星分類(按爆發(fā)機制分類)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 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 (對各類超新星)拋射物總動能: EK 1051 ergs (對各類超新星) 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 關于核心坍縮型超新星爆發(fā)的爭論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稱因素(例如，旋轉(zhuǎn)、對流、磁場因素)和不穩(wěn)定因素,我相信再過幾年，超新星爆發(fā)的模擬計算可能會取得成功的” (on the conference AwR V, Sep. 2005, at Clemson University, USA)超亮超新星(SLSN)峰值光度的絕對星等 :通常的超新星的峰值光度的絕對星等 :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到(它是已知的最亮超新星光度的兩倍),4個月內(nèi)它的輻射能量達到迄今，SNII、SNIb、SNIc、SLSN 的爆發(fā)機制仍然是謎。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)機制?地球內(nèi)部核心熔融狀態(tài)的熱源問題地球核心區(qū)蘊藏的

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).熱傳導時標: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

6、遠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，也不可能點燃熱核反應。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)部無核能源：白矮星內(nèi)部蘊藏的總熱能: 冷卻時標 :問題:為何迄今沒有表面溫度低于3000K的晚M型和N型白矮星? 它們具體的熱源是什么？ II.磁單極問題 I. 磁單極及其數(shù)量1931年 Dirac預言存在磁單極20C. 70年代：tHooft 磁單極:磁荷: RC效應：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)對其聚集區(qū)表面處一個磁單極所受到來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)粒子物理學近年來的最新有關研究“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)的引入成功的同時解釋了RHIC和LHC實驗中的噴注的RAA和v2的數(shù)據(jù)，有一定的實驗支持。宇宙早期演化到鄰近相變溫度Tc時，也不排除會有這樣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烈電磁相互作用下，相當數(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，迄今地球上物理實驗無法探測。恒星(行星)一生中俘獲太空中飛行磁單極的數(shù)量地球形成以來一生中俘獲的磁單極數(shù)目 個。這些超重磁單極都集中在地球核心半徑 1km范圍內(nèi)。因此整個地幔、地殼、表面都不可能有磁單極。這就是迄今所有物理驗

11、未能探測到磁單極的真正原因。各類探測磁單極的否定性結(jié)果只能證實我們指出的在地球表層沒有磁單極。恒星和行星在誕生以后，可以通過它們一生中從宇宙太空中俘獲的磁單極數(shù)目。1985年我們就對它進行過估算，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。地球物理實驗室未能探測到磁單極的原因迄今為止為搜尋與探測磁單極的各種物理實驗都沒有找到磁單極，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,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)進行的任何物理實驗不可能發(fā)現(xiàn)磁單極。所有這些各種實驗都是在地球表層(或地殼)進行的。1969年美

12、國NASA發(fā)射了一顆圍繞月球運行的人造衛(wèi)星Explorer 35, 上面安裝了GSFC magnetometer, 其科學目的就是測量月球磁北極與磁南極磁場的差異來測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: 同上述測量不矛盾。如果上述GSFC magnetometer精度再提高兩個量級以上，就可以檢驗。 RC光度在磁單極聚集核心區(qū),通過磁單極催化核子衰變反應(RC效應)，

13、產(chǎn)生的總光度:按照這個統(tǒng)一的公式以及通過磁單極催化核子衰變反應(RC效應)作為能源來繼續(xù)深入探討天體物理學中一系列未知能量來源的謎團。例如：類星體與活動星系核(包括銀河系中心天體)的能源問題、各類超新星爆發(fā)和 暴的爆發(fā)機制以及白矮星和地球核心的能量來源問題。在天體核心中的微量磁單極很可能起作最為關鍵的重大作用。III.含有磁單極的活動星系核模型 問題(1983年) ：如果粒子物理學中有關磁單極的觀念及其RC效應是正確的，它會對天體物理學帶來什么重要的作用?它們會產(chǎn)生哪些重要的觀測效應?利用磁單極催化核子衰變反應作為能源, 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、活動星系核的主要能源來替代黑洞模型 (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)量天體既無黑洞視界面、也無中心奇異性, 這是由于磁單極催化核子衰變反應的速率正比于物質(zhì)密度的平方. 衰變出來的輕子與光子向外發(fā)射, 因此中心密度不可能趨向無窮大.結(jié)合粒子物理學中的RC效應,避免了經(jīng)典廣義相對論的黑洞理論呈現(xiàn)的中心奇異性問題.我們模型的主要預言及其觀測檢驗對于銀河系中心超巨質(zhì)量天體, 我們模型的五個主要預言(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)非常強的 正、負電子

15、湮滅譜線(0.511 MeV 射線).我們預言的正電子產(chǎn)生率在定量上被2003年高能天文觀測 相吻合。(Astron. Astrophys. 411(2003)457-460)2)同時發(fā)射能量高于0.511 MeV的高能輻射, 其積分總能量不僅遠遠高于正、負電子湮滅譜線的總能量, 也遠遠高于中心天體的熱光度. 這個預言也同觀測相吻合。3)關于徑向磁場(排它性)的預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)生強大的徑向磁場,在天體表面(半徑約為50 a.u. )處磁場強度約為(20100) Gauss。由于徑向磁場強度隨著距離平方成反比衰減,在 r=0.12pc 處,磁場強度約為(1050)

16、mG。這個預言同測量的磁場下限值(8mG)（,2013)在定量上相當吻合. 這個預言是排它性的預言：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)反常強的徑向磁場。如此強大的徑向磁場必然阻擋銀心外圍吸積盤的等離子體物質(zhì)進入銀心內(nèi)區(qū), 因而從銀心方向觀測到的大量輻射(射電、紅外、X-ray)不可能是由吸積物質(zhì)產(chǎn)生的. 由此推斷:來自銀河系中心的輻射不可能是由黑洞模型及其吸積盤產(chǎn)生的。銀河系中心天體不是黑洞。 4)如果我們假設在離地球50Mpc范圍內(nèi)所有活動星系核中心都是這類含有飽和磁單極的超巨質(zhì)量天體, 則它們可能是觀測到的極端超高能(能量達到 )宇

17、宙線的源泉。5) 我們預言了在銀心的超巨質(zhì)量天體表面溫度約為120 K . 同它相應的熱輻射能譜的峰值約為 (位于亞毫米波段),這同近年來的天文觀測結(jié)果, ( )相當接近。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反常強的徑向磁場觀測可能具有兩個重大意義:1)銀河系中心附近發(fā)現(xiàn)反常強磁場的事實可能是磁單極存在的強烈天文觀測證據(jù)

18、. 我們的有可能是合理的。2)來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)具體物理條件RC光度產(chǎn)生的輻射壓強超新星爆發(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:實際的白矮星輻射光度對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 RC 效應(磁單極催化核子衰變反應)所提供的光度(簡稱為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光度當星體核心坍縮時，如果RC光度超過Eddington光度不多，就不會出現(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RC光度遠遠超過

20、整個星的 Eddington 光度時，才能導致整個星體爆發(fā)，即超新星強爆發(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，它們的Eddington 光度增長。為了能夠使它們爆發(fā)，達到所需要的RC光度, 超新星的坍縮核心必須壓縮到 10-2nnuc 或密度更大(接近甚至超過原子核密度的程度)在大質(zhì)量恒星坍縮過程中，由于高密度下鐵族元素迅速電子俘獲過程致使自由電子數(shù)目和簡并電子氣體壓強迅速下降，核心坍縮過程接近于自由坍縮過程(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, 導致超新星爆發(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的觀念。RC光度產(chǎn)生的輻射壓強通過RC光度的輻射壓強非常巨大，可以忽略物質(zhì)的非相對論中子氣體簡并壓強。當星體猛烈向外爆炸, 導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。星體動力學方程:超新星爆發(fā)以后超新星爆發(fā)瞬間，天體核心物質(zhì)密度接近或超過原子核密度，聚集在核心中的磁單極催化核子衰變反應產(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光度及其輻射壓強將會大幅度降低。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。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窮大，而且將會遠遠低于核密度(否則將出現(xiàn)再次爆發(fā)。殘留的星體最后終于會達到某種穩(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光度必定遠遠低于這個殘留星體的Eddington光度。殘留的中子

23、星當殘留的星體處于平衡狀態(tài)時, 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。這時, 很厚的外層物質(zhì)因強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效應催化核子衰變反應作為能源，質(zhì)量再大的中子星也不會坍縮成黑洞。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)生強大的輻射壓，使得這個天體不會坍縮成黑洞。我們的分析可以得到另外的重要推論:中子星質(zhì)量可能沒有上限，至少沒有迄今公認為的 的上限。按照我們的觀念，通過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，通過超新星爆發(fā)后，存留的殘骸不會坍縮中心密度無窮大的黑洞，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 暴可能起源于Ic型超新星。因而我們認為它同樣地是由上述磁單極驅(qū)動的機制。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的天文學家是利用質(zhì)量分別大約為的兩個黑洞碰撞的模型去擬合產(chǎn)生引力波，兩個黑洞并合(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Fermi GBM 的 暴探測小組報道:在引力波探測的時間內(nèi)，在引力波的方向上，幾乎同時(0.4sec后) 探測到50KeV的微弱短 暴亊件(持續(xù)時間為1秒鐘)。 從(1keV-10MeV)波區(qū)內(nèi)非熱輻射的光度為 。他們認為這個 暴亊件與LIGO引力波亊件GW150914成協(xié)。 2月23日M. Lyutikov的論文: 對這次引力波亊件與 暴亊件成協(xié)性提出了不同的看法。作者第一個論據(jù)是另一個X-ray空間探測器 INTEGRAL并未探測到與引力波亊件成協(xié)的 暴亊件(INTEGRAL X-ray空間探測器在50keV 能區(qū)的靈敏度太低)。作者主要詳細分析了黑洞及其周圍吸積等離子體流環(huán)境下各種可能