磁单极驱爆超新星等天体能源的统一模型 彭秋和 (南京大学天文系)

I. 天体物理学 中的 重大迷团

超新星爆发之谜 超新星分类(按爆发机制分类) m⊙ 2. 吸积白矮星的热核爆炸型超新星(SNIa) 1. 核心坍缩型超新星(SNII、SNIb、SNIc , SLSN) SNII、SNIb、SNIc ( 长γ 暴的起源)、SLSN 前身星初始主序质量 : m⊙ 2. 吸积白矮星的热核爆炸型超新星(SNIa)

爆发能量 总辐射能 Er ~ 1049 ergs (对各类超新星) 抛射物总动能: EK ~ 1051 ergs (对各类超新星) <Vmax > ~ 104 Km/s SN Ia : Vmax > 104 Km/s SN II: 一般: Vmax ~ 104 Km/s SN 1987A: Vmax ~ 3×104 Km/s (引力)束缚能: EB ~ (0.5 –1.0) × 1051 ergs (对各类超新星) 爆发总能量: SN Ia: E总 = Er+EK+EB ~ 1051 ergs SN II: 中微子暴: Eν ~ 1053 ergs (SN 1987A) (核心坍缩成中子星) E总 ~ 1053 ergs

关于核心坍缩型超新星爆发的争论 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.Liebendörfer, 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、更加全面地考虑各种不对称因素(例如，旋转、对流、磁场因素)和不稳定因素,我相信再过几年，超新星爆发的模拟计算可能会取得成功的” (on the conference AwR V, Sep. 2005, at Clemson University, USA)

超亮超新星(SLSN) 峰值光度的绝对星等 : 通常的超新星的峰值光度的绝对星等 : 东苏勃等人发现了迄今最亮的超亮超新星ASASSN-15lh (2015,9月): 爆发峰值光度后15天后它的光度仍然达到 (它是已知的最亮超新星光度的两倍),4个月内它的辐射能量达到 迄今，SNII、SNIb、SNIc、SLSN 的爆发机制仍然是谜。 SLSN爆发的能量如此巨大，更是茫然不知所措! 超新星前身星的质量(估算): SNII SNIb SNIc SLSN (8-25) M⊙ (30-60) M⊙ (70-100) M⊙ > (120-150) M⊙

暗爆发的超新星 很弱的爆发:例如, Cas A (1668年) 最近Chandra卫星探测到银河系内在110年前爆发的超新星遗迹(暗爆发) 原因与爆发机制???

地球内部核心熔融状态的热源问题 地球核心区蕴藏的总热量 地球全部地壳向外输送热流的速率： (Davies, J. H., & Davies, D. R. (2010). “Earth's surface heat flux”. Solid Earth, 1(1), 5–24). 热传导时标: 结论: 地球核心区需要热源!

地球内部放射性元素能源估算 最重要的三种放射性元素产生的热量 为: 铀系: 0.78卡(年.克(U))-1 ; 钍系: 0.20卡(年.克(Th))-1; 钾系: 4×10-6卡(年.克(K))-1。 最重要的放射性元素为铀(U)。 U 元素丰度: (原子数丰度), 质量丰度为 5亿年之内, 地球内放射性元素U总共释放的总热能为 结论: 放射性元素远远不能提供地球核心热熔状态的能源。地球内部温度六千度，也不可能点燃热核反应。需要另外尋求能源。  

白矮星冷却之谜 绝大多数白矮星 : 白矮星典型半径: 典型光度: 白矮星内部无核能源： 白矮星内部蕴藏的总热能: 冷却时标 : 问题:为何迄今没有表面温度低于3000K的晚M型和N型白矮星? 它们具体的热源是什么？

II.磁单极问题

§I. 磁单极及其数量 1931年 Dirac预言存在磁单极 20C. 70年代：t’Hooft 磁单极: 磁荷: RC效应：磁单极催化核子衰变 磁单极含量: (Parker上限) 牛顿饱和值:星体内物质对其聚集区表面处一个磁单极所受到来自星体中心的牛 顿引力同它受到星体内部(相同极性的)总磁荷的磁Coulomb排斥力相平衡条件: Strongly coupled plasma with electric and magnetic charges Jinfeng Liao and Edward Shuryak (PHYSICAL REVIEW C 75, 054907 (2007))

粒子物理学近年来的最新有关研究 “Strongly coupled plasma with electric and magnetic charges” Jinfeng Liao and Edward Shuryak (PR C, 75, 054907 (2007)) 提出了semi-Quark-Gluon-Monopole Plasma (sQGMP)的概念 “Production of Semi Quark Gluon Monopole Plasma by Glasma Decay” (2016年4月发表在PRC上)，计算了background color electric and magnetic fields decay 产生Gluon和Monopole的数密度和温度。 这种新的物质的引入成功的同时解释了RHIC和LHC实验中的喷注的RAA和v2的数据，有一定的实验支持。宇宙早期演化到邻近相变温度Tc时，也不排除会有这样sQGMP存在。 Y.H. Cho & J. Pinfold, 2013, “ Electroweak 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”

各类天体内部包含的磁单极数量 在宇宙早期物质处于高温等离子体状态，在磁单极同等离子体的强烈电磁相互作 用下，相当数量的磁单极随着超巨质量不稳定的等离子体气体云坍缩到新形成的 类星体与活动星系核(包括银河系中心天体)的核心区, 这类天体可能包含较多的磁 单极(达到牛顿饱和值)。 通常的恒星和行星，它们形成于坍缩的大质量中性氢云。由于磁单极同中性氢原 子的相互作用非常微弱，因而极少的磁单极跟随中性氢云的坍缩而聚集在恒星或 行星的核心。通常恒星和行星内部包含的磁单极主要是它们形成以后的一生中从 宇宙太空中俘获来的。 在恒星和行星(包括地球)表面处截获的在空间飞行的磁单极数量(流量): 流量太小，迄今地球上物理实验无法探测。

恒星(行星)一生中俘获太空中飞行磁单极的数量 恒星和行星在诞生以后，可以通过它们一生中从宇宙太空中俘获的磁单极数目。1985年我们就对它进行过估算，俘获的磁单极数目同恒星表面积成正比，也同年龄成正比。 地球形成以来一生中俘获的磁单极数目 个。 这些超重磁单极都集中在地球核心半径 < 1km范围内。因此整个地幔、地壳、表 面都不可能有磁单极。这就是迄今所有物理验未能探测到磁单极的真正原因。各 类探测磁单极的否定性结果只能证实我们指出的在地球表层没有磁单极。

地球物理实验室未能探测到磁单极的原因 迄今为止为搜尋与探测磁单极的各种物理实验都没有找到磁单极，给出了磁单 极的数目同核子数目的比值上限 (<Wikimedia>, 维基百科,自由的百科 全书,2016年新版) 。地球内部所有的磁单极( ) 都沉降在地球的核心 内。在地球表层(或地壳)进行的任何物理实验不可能发现磁单极。 所有这些各种实验都是在地球表层(或地壳)进行的。 1969年美国NASA发射了一颗围绕月球运行的人造卫星Explorer 35, 上面安装 了GSFC magnetometer, 其科学目的就是测量月球磁北极与磁南极磁场的差异来测 定月球可能包含的磁单极数目。1970年和1983年两次先后分析测量的结果, 给出 磁单极目同核子数目比的上限为 月球半径约为地球半径的1/4, 表面面积小16倍。天体俘获太空中的磁单极数目 同天体表面积成正比。因此, (沉降在核心内的)月球可能包含的磁单极数 月球质量: 同上述测量不矛盾。 如果上述GSFC magnetometer精度再提高两个量级以上，就可以检验。

RC光度 在磁单极聚集核心区,通过磁单极催化核子衰变反应(RC效应)，产生的总光度: 按照这个统一的公式以及通过磁单极催化核子衰变反应(RC效应)作 为能源来继续深入探讨天体物理学中一系列未知能量来源的谜团。 例如：类星体与活动星系核(包括银河系中心天体)的能源问题、 各类超新星爆发和 γ暴的爆发机制以及白矮星和地球核心的能量来 源问题。 在天体核心中的微量磁单极很可能起作最为关键的重大作用。

§III.含有磁单极的活动星系核模型 问题(1983年) ：如果粒子物理学中有关磁单极的观念及其RC效应是正确的，它 会对天体物理学带来什么重要的作用?它们会产生哪些重要的观测效应? 利用磁单极催化核子衰变反应作为能源, 在30年前我们就提出了<含磁单极的 活动星系核模型>, .主要思路: 1) 我们利用磁单极催化核子衰变为轻子作为类星体、活动星系核的主要能源来替代黑洞模型 (周围的吸积流模型只是作为次要能源)。 2) 星系核心的超巨质量天体在其周围附近区域的引力效应类似于黑洞. 含有足够数量磁单极的超巨质量天体既无黑洞视界面、也无中心奇异性, 这是由 于磁单极催化核子衰变反应的速率正比于物质密度的平方. 衰变出来的轻子与 光子向外发射, 因此中心密度不可能趋向无穷大.结合粒子物理学中的RC效应,避免了经典广义相对论的黑洞理论呈现的中心奇异性问题.

我们模型的主要预言及其观测检验 对于银河系中心超巨质量天体, 我们模型的五个主要预言(2001) : 1) 产生并发射大量正电子, 产生率约为 在银心方向呈现非常強的 正、负电子湮灭谱线(0.511 MeV γ 射线). 我们预言的正电子产生率在定量上被2003年高能天文观测 相吻合。 (Astron. Astrophys. 411(2003)457-460) 2)同时发射能量高于0.511 MeV的高能辐射, 其积分总能量不仅远远高于正、负电子湮灭谱线的总能量, 也远远高于中心天体的热光度. 这个预言也同观测相吻合。

3)关于径向磁场(排它性)的预言 聚集在银心的超巨质量天体区域内的磁单极将产生强大的径向磁场, 在天体表面(半径约为50 a.u. )处磁场强度约为(20~100) Gauss。 由于径向磁场强度随着距离平方成反比衰减, 在 r=0.12pc 处,磁场强度约为(10~50) mG。 这个预言同测量的磁场下限值(8mG)（<Nature>,2013) 在定量上相当吻合. 这个预言是排它性的预言：只有我们的模型才能够产生, 其它任何 模型都将被排斥与否定. 推论： 2013年在银心附近发现反常强的径向磁场。如此强大的径向磁场必 然阻挡银心外围吸积盘的等离子体物质进入银心内区, 因而从银心 方向观测到的大量辐射(射电、红外、X-ray)不可能是由吸积物质产 生的. 由此推断:来自银河系中心的辐射不可能是由黑洞模型及其吸 积盘产生的。银河系中心天体不是黑洞。

一 4)如果我们假设在离地球50Mpc范围内所有活动星系核中心都是这类含有饱和磁 单极的超巨质量天体, 则它们可能是观测到的极端超高能(能量达到 ) 宇宙线的源泉。 5) 我们预言了在银心的超巨质量天体表面温度约为120 K . 同它相应的热辐射能谱的峰值约为 (位于亚毫米波段), 这同近年来的天文观测结果, ( )相当接近。 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 反常强的径向磁场观测可能具有两个重大意义: 1)银河系中心附近发现反常強磁场的事实可能是磁单极存在的强烈天文观测证据. 我们的<含磁单极活动星系核模型>有可能是合理的。 2)来自银河系中心方向的辐射不可能是迄今流行的 “黑洞及其吸积盘模型”产生的 一

§IV. 磁单极驱爆超新星 等天体能源的统一模型 地球的RC光度 白矮星的RC光度 超新星爆发之谜 磁单极催爆超新星的统一模型 大质量恒星俘获的磁单极数目 各类超新星的RC光度 超新星爆发具体物理条件 RC光度产生的辐射压强 超新星爆发后的残留中子星(非黑洞)

地球的RC光度 地球全部地壳向外输送热流的速率

白矮星的RC光度 为了维持白矮星的辐射光度(典型值) → → 如果我们选取地球值: 实际的白矮星辐射光度 对白矮星前身星条件的限值

恒星一生中俘获太空中飞行磁单极的数量 恒星在诞生以后，可以通过它们一生中从宇宙太空中俘获的磁单极数目。俘获的磁单极数目同恒星表面积成正比，也同年龄成正比。 被俘获的超重的磁单极聚集在星体的核心区域内， 磁单极聚集的浓度仍然是 核心区半径: 磁单极聚集的核心区物质总质量: 虽然它占星体总质量的极其微小部分,但是它通过 RC 效应(磁单极催化核子衰变 反应)所提供的光度(简称为RC光度)可能非常巨大，它取决于天体中心区域的物 质密度。

超新星爆发的具体物理原因与条件 超新星的RC光度 当星体核心坍缩时，如果RC光度超过Eddington光度不多，就不会出现掹烈的爆发，但可能呈现出很弱的爆发(例如, Cas A,以及最近Chandra卫星探测到银河系内在110年前爆发的超新星遗迹(暗爆发),只有当RC光度远远超过整个星的 Eddington 光度时， 才能导致整个星体爆发，即 超新星强爆发条件: (爆发瞬间) 超新星峯值光度

(续) RC光度产生的辐射压强 随着SNII、SNIb、SNIc、SLSN序列，超新星前星是质量的增长，它们的 Eddington 光度增长。为了能够使它们爆发，达到所需要的RC光度, 超新星的坍缩 核心必须压缩到 10-2nnuc 或密度更大(接近甚至超过原子核密度的程度) 在大质量恒星坍缩过程中，由于高密度下铁族元素迅速电子俘获过程致使自由电 子数目和简并电子气体压强迅速下降，核心坍缩过程接近于自由坍缩过程(向内 坍缩速度约为自由坍缩速度的一半)，质量愈大的恒星，这种自由坍缩速度愈快, 星体核心压缩得愈紧密，使得 愈大，RC光度愈高。由此可以得出结 论:随着SNII、SNIb、SNIc、SLSN序列，超新星前身星质量的增长, 导致超新星 爆发的光度大致同超新星前身星的质量成正比。这基本上符合大家公认的观念。 RC光度产生的辐射压强

通过RC光度的辐射压强非常巨大，可以忽略物质的非相对论中子气体简并压强。 星体动力学方程: 当 星体猛烈向外爆炸, 导致猛烈的超新星爆发现象 把 代入上式, 再次得出前述超新星剧烈爆发的条件。

超新星爆发以后 超新星爆发瞬间，天体核心物质密度接近或超过原子核密度，聚集 在核心中的磁单极催化核子衰变反应产生的RC光度及其辐射压非常 巨大, 使得包括星体核心在内的整个星体物质(处于高温等离子体状 态)向外抛射。核心区域的磁单极通过电磁相互作用也随着等离子体 物质向外抛射。星体核心区域物质密度急剧下降，核心区磁单数目 也下降，因此RC光度及其辐射压強将会大幅度降低。此后那些抛射 速度低于逃逸速度的物质(包括一些磁单极)开始向星体中心回落。 它使得星体中心的物质密度再次较快地增长。星体核心内的磁单极 仍然持续不断地催化核子衰变产生RC光度和相应的辐射压, 抗拒着 回落物质的坍缩。由于RC光度 , 中心物质密度不仅 不可能趋向于无穷大，而且将会远远低于核密度(否则将出现再次爆 发。残留的星体最后终于会达到某种稳定的平衡状态:它内部核心磁 单极催化核子衰变产生RC光度必定远远低于这个残留星体的 Eddington光度。

残留的中子星 当残留的星体处于平衡状态时, RC光度大大降低到甚至不能使rE 以外的物质向外驱动。这时, 很厚的外层物质因强大引力作用使得物质压缩到原子核密度，形成中子星或大质量(甚至超大质量)中子星。总之，由于核心RC效应催化核子衰变反应作为能源，质量再大的中子星也不会坍缩成黑洞。 超新星爆发后存留的残骸是类似于中子星的一种天体: 中心最内部核心的物质密度不高, 由于残存的磁单极持续不断地催化核子衰变，提供能源、产生强大的辐射压，使得这个天体不会坍缩成黑洞。我们的分析可以得到另外的重要推论:中子星质量可能没有上限，至少没有迄今公认为的 的上限。 按照我们的观念，通过SNII爆发形成的中子星同通常人们讨论的中子星的差异仅仅是它的最内层核心区具有我们上述的特殊结构。至于SNIb、SNIc和SLSN这些前身星更大的大质量或超大质量的恒星，通过超新星爆发后，存留的残骸不会坍缩中心密度无穷大的黑洞，而是具有上述特殊结构的大质量或超大质量中子星。 长 γ 暴可能起源于Ic型超新星。因而我们认为它同样地是由上述磁单极驱动的机制。

引力波亊件是否同 暴亊件成协? Advanced LIGO引力波亊件GW150914:(2016年2月12日宣布) 引力波亊件是否同 暴亊件成协? Advanced LIGO引力波亊件GW150914:(2016年2月12日宣布) LIGO的天文学家是利用质量分别大约为 的两个黑洞碰撞的模型去拟合产生引力波，两个黑洞并合(merge)后形成质量约为 的黑洞。释放的引力波总能量约为 2月16日美国Fermi GBM 的 暴探测小组报道:在引力波探测的时间内，在引力波的方向上，几乎同时(0.4sec后) 探测到50KeV的微弱短 暴亊件(持续时间为1秒钟)。 从(1keV-10MeV)波区内非热辐射的光度为 。 他们认为这个 暴亊件与LIGO引力波亊件GW150914成协。 2月23日M. Lyutikov的论文: 对这次引力波亊件与 暴亊件成协性提出了不同的看法。作者第一个论据是另一个X-ray空间探测器 INTEGRAL并未探测到与引力波亊件成协的 暴亊件(INTEGRAL X-ray空间探测器在50keV 能区的灵敏度太低)。作者主要详细分析了黑洞及其周围吸积等离子体流环境下各种可能的电磁辐射产生机制, 发现观测到的光度 ( ) 远远高于所有黑洞有关机制产生的光度好几个数量级。 作者认为, Fermi GBM Observations观测到的 暴亊件与LIGO Gravitational Wave event GW150914可能仅仅只是在时间上和方向上的巧合，它们可能是互相无关的两个亊件。

引力波事件-短 γ暴-FRB亊件成协? 单纯两个黑洞相撞并合，只会产生引力波，不可能同时产生γ暴。 我们的模型:有可能成协。 单纯两个黑洞相撞并合，只会产生引力波，不可能同时产生γ暴。 我们的模型:有可能成协。 当两个磁单极的大质量中子星, 如果包含的磁单极数目达到 个, 它们相撞并合时,当中心物质密度远远超过原子核密度,达到 时通过RC效应可以产生高达 1049ergs/s 的光度并产生(短) γ暴。 短γ暴发生在引力波出现后的很短时间内。 γ 暴同时(通过磁单极催化核子衰变过程)发射大量带电粒子。当天体旋转时 (由磁单极产生的)径向磁场，不仅(因Lorentz效应)诱导产生电场使这些带电粒子加速，而且径问磁力线也会因天体旋转而偏转。沿着稍微偏转或弯曲磁力线方向出射的带电粒子会辐射射电波,这可能随后又产生快速射电波暴(FRB)。 我们正式预言，未来的引力波探测，如果果真再次出现成协的 γ 暴 亊件，它就可能是磁单极存在的的第二种关键性实验。

结论 我们仅利用磁单极的空间流量和磁单极催化核子衰变(RC效应)这两 个观念(利用1985年我们论文中的公式),获得一个星体的RC光度(即 通过磁单极催化核子衰变的反应产生的能量产生率)公式，统一地解 释了地球核心的热能源、白矮星内部所需要的热能来源、SNII、 SNIb、SNIc、SLSN等各类超新星和γ暴的爆发机制。并且合理地解 释Fermi γ 射线暴监测(GBM)卫星探测到 短γ暴事件同2015年9月 LIGO引力波亊件GW150914可能成协的亊件。 它们显示了磁单极观念以及RC效应具有相当的合理性。 我们相信，我们的磁单极驱爆超新星等天体能源的统一模型将来必 定会引起国际主流的关注，也必将引发国际上重新掀起磁单极热。

谢谢