磁单极存在的天文观测证据和 它在天体物理学的重大作用 ―磁单极驱爆超新星和宇宙热大爆炸的物理机制

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1 磁单极存在的天文观测证据和 它在天体物理学的重大作用 ―磁单极驱爆超新星和宇宙热大爆炸的物理机制
彭秋和 (南京大学天文系)

2 近年来的天文观测 --- 测定了银河系中心反常強的径向磁场。
近年来的天文观测 --- 测定了银河系中心反常強的径向磁场。 ( <Nature>, 2013, 151,391)文章报导了对紧密靠近银心区域新近发现 的脉冲星(PSRJ ，它是一颗周期为3.76s的磁星。多波段射 电测量。显示了脉冲星的反常大的Faraday旋转(在外磁场下, 射电 辐射的偏振面的旋转)，它表明在银河系中心附近存在着在动力学 上重要的磁场。在 处, 银心向外的径向磁场的下限为: 直接物理推论：根据《磁流冻结效应》如此强大的磁场必然阻挡银心外围等离子体吸积流进入银河系的最内中心区域。而国际公认的流行的黑洞模型是不可能的。这因为黑洞模型是依赖于周围（等离子体）吸积盘物质进入黑洞附近，引力势能→粒子动能（经粒子碰撞）→热能→辐射能 → 天文观测。 由于等离子体吸积盘物质被阻挡在0.12 pc 以外,因此观测的来自银心的辐射不可能是由黑洞模型产生的。 --- 最大矛盾

3 科学意义 Nature（2013）的上述观测发现了在银河系中心最内区存在着反常 強的径向磁场这一个观测事实迄今无法用人们熟知的物理去解释。 按照磁流体力学，等离子体是同磁力线冻结在一起的。除了超新星 核心物质坍缩过程中把磁力线捆绑在一起，使磁场大大增强。 此外，带电流体运动时通过Alpha-发电机的机制产生磁场，但是不 可能是径向稳定的磁场。 这是对现代物理学和天体物理学的一个严峻的挑战。 我们的观点:这种径向磁场最合理的解释就是很可能来自银心的超巨 质量恒是核心区堆积的磁单极。(Peng et al ) 它可能显示了一种新的物理现象: 在银河系中心的超巨质量天体内 可能聚集相当数量的粒子物理学大统一理论(Dirac)预言的磁单极。 这种银心径向磁场正是我们在2001年在ApJL（551，L23-L26）文 章中所预言的“银河系中心的超巨质量天体的径向磁场”。不仅如 此，我们的预言同Nature（2013）的观测分析的下限基本吻合。至 少，这似乎是目前唯一可能的解释。

4 I.磁单极性质(天文相关) 质量 (2010s ) 磁荷 Nm :磁单极数目; NB : 重子数目 磁单极含量(Nm)
Rubakov-Callen (RC)效应:磁单极催化核子衰变 或 Nm :磁单极数目; NB : 重子数目 磁单极含量(Nm) 空间飞行的磁单极数量(Parker)上限: 牛顿饱和磁单极含量

5 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。 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:

6 II.磁单极存在的天文观测证椐 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, 1985年我们提出了<含磁 单极的超巨质量恒星－类星体与活动星系核模型> ( 替代黑洞模型 )。 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. 2001年，我们的有关论文（ Peng & Chou, 2001, ApJL)明确地提出了五个主要理论预言。其中三个定量预言被后来的天文观测证实。

7 （银河系中心超巨质量天体模型）主要预言及其检验
1)关键性(排它性)预言: 径向磁场 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。这个预言被 2013年天文学家发现的 磁场下限值(8mG)（<Nature>,2013)在定量上被证实. 排它性的预言：如果被观测证实，其它任何模型都将被排斥与否定. 推论(重大意义): 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。银河系中心天体不可能是黑洞。 － 颠覆性结论 ：天文观测 - 宇宙太空中的物理实验 －完全否定半个世纪以来国际流行的银河系中心黑洞模型。

8 （续） 2) 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) ) 3）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: V1 [astro-ph.HE], 7 Nov. 2013

9 反常强的径向磁场观测具有两个重大意义: 郑重声明：虽然物理学家迄今在地球表层的物理实验室 尚未探测到磁单极。但是，天文观测是宇宙太空中的物
理实验。 1)银河系中心附近发现反常強磁场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。 彭秋和, 2016, <科学通报>, 61 卷 26 期：1 - 7 ; Peng et al., ApSS. (2016) 361:388; Peng et al. New Astronomy, 57 (2017)59-62

10 RC光度作为能源的天文意义 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 为能源来探讨天体物理学中一系列未知能量来源的谜团。 1)类星体与活动星系核(包括银河系中心天体)的能源问题 2)各类超新星爆发和 γ暴的爆发机制 3) 地球核心热熔状的能源 4)白矮星内部的热能源问题。 5)宇宙热大爆炸的物理原因. 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。

11 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, “Improved Models of Stellar Core Collapse and Still No Explosions: What is Missing?” M.Liebendörfer, 2004, arXiv:astro-ph/ “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)

12 磁单极驱爆超新星的统一模型 超新星前身星从太空中俘获的磁单极数目:
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。 超新星的RC 光度 强爆发条件: Ledd : Eddington’s 光度

13 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); 2015年恒星N6946-BH1的突然消失) 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: 超新星峯值光度 (爆发瞬间)

14 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。

15 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。

16 IV.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： 热传导时标: 结论: 地球核心区需要热源!
(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! 5亿年之内, 地球内放射性元素U总共释放的总热能为 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。

17 地球的RC光度 地球全部地壳向外输送热流的速率

18 V. 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？

19 白矮星的RC光度 为了维持白矮星的辐射光度 如果我们选取地球值: 对白矮星前身星条件的限值。 → 合理的限制。

20 结论 迄今国际上无法从理论上解释超新星爆发的物理机制,而我的理论模 型采用了粒子物理学中磁单极催化核子衰变的简单观念和天体从太 空中俘获的磁单极数量的简单公式,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(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。 按照我的理论模型, 无论前身星的质量有多么大, 超新星爆发后的产 物也不可能是黑洞，只能是中子星。 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。

21 问题: 当t 从t0 (现在时刻) → t=0, R→0, ρ→∞, T→∞, 宇宙奇点。
VII.磁单极驱动宇宙热大爆炸模型 Hubble 定律: 遥远星系的退行(即远离)速度正比于星系的红移Z Hubble发现:所有遥远的河外星系的光谱线全部都在远离我们运动，而且距离愈远的星系，远离速度愈快。 → 宇宙正在膨胀 (Lematire, 1927)。 假设宇宙匀速膨胀（速度不随时间发生变化）,由此可以得到星系退行的时间: t = d /V =1/ H0 ≈150 亿年 （ H0 ≈ 65 km/s/Mpc ） Gamow 的宇宙热大爆炸模型 由Hubble 定律，我们所处的宇宙正在膨胀. 表明宇宙早期是高温、高密状态。 1940s Gamov和Alpher首先提出宇宙起源于约150亿年前一次猛烈的热大爆炸。 宇宙的爆炸导致空间的膨胀，物质则随着空间膨胀（宇宙是无中心的）。 随着宇宙膨胀和温度降低，构成物质的原初元素相继形成 。 问题: 当t 从t0 (现在时刻) → t=0, R→0, ρ→∞, T→∞, 宇宙奇点。 宇宙极早期状态? 原始宇宙大爆炸的物理原因是什么? 至今未知!

22 物理机制: 磁单极驱动宇宙热大爆炸 我们的模型:整个宇宙来回反复地(因热大爆炸)膨脹和(引力)收缩的震荡模型。 宇宙的总星系中估计有2×1011个星系,每个星系(按银河系估算)大约包含有2×1011 个恒星。即宇宙中恒星总数目约为1023个。按太阳质量为2×1033克计算。整个宇 宙(重子)物质总质量约为2.0×1056克, 重子粒子总数约为1.0×1080。 如果宇宙中包含的(同一极性)磁单极含量: 则宇宙中包含的(同一极性)磁单极总数量约为 当重子物质处于高温等离子体状态下,这些磁单极(通过很强的电磁相互作用)迅 速地随等离子体向中心压缩。通过磁单极催化核子衰变(RC效应)产生的RC光度: 当整个宇宙物质压缩到一个极为巨大质量的天体时,它的Eddington 光度为 只要当宇宙整体坍缩到 →宇宙整体热大爆炸

23 谢谢