银河系中心发现强大的径向磁场课件.ppt

1、银河系中心黑洞模型失效银河系中心黑洞模型失效和磁单极存在和磁单极存在的天文观测证据的天文观测证据 彭秋和彭秋和 ()(南京大学天文系南京大学天文系)，向流行观念挑战向流行观念挑战当前国际上最为流行的两个观念当前国际上最为流行的两个观念:1)宇宙加速膨胀-宇宙暗能量 观念 (因此,三位天体物理学家获得2011年度诺贝尔物理学奖金)2)类星体与活动星系核(包括银河系中心天体)的黑洞模型 (几乎国际公认，流行了近半个世纪)挑战挑战:1):1)挑战挑战宇宙加速膨胀宇宙加速膨胀a)Peng et al.,2014,“Error Analysis of Ia Supernova and Query on

2、Cosmic Dark Energy”,J.Astrophys.Astr.(2014)35,253-256(Indian Academy of Sciences)b)arXiv:1506.01354 pdf,Nielsen et al.,“Marginal evidence for cosmic acceleration from Type Ia supernovae”“We find,rather surprisingly,that the data are still quite consistent with a constant rate of expansion”.2)挑战星系核的黑

3、洞模型挑战星系核的黑洞模型:My talk,and a),2014,Vol.510,126(76个射电噪星系存在强大径向磁场问题)b)Sell et al.,2014,Apr.arX iv:1404.0677astro=ph.GA 2 Apr.2014(On Jets)c)Jang L.,et al.,“Dust-free quasars in the early Universe”,Vol.464,Issue 7287,pp.380-383(2010)宇宙中的黑洞及其探测宇宙中的黑洞及其探测类星体与活动星系核类星体与活动星系核(包括位于银河系中心的天体包括位于银河系中心的天体)“)“黑洞模型

4、黑洞模型”己经流行了将近半个世纪己经流行了将近半个世纪(Lindenbell,Rees,Blandford 等人等人)。国际公认的流行观念国际公认的流行观念:活动星系核心可能存在大质量黑洞活动星系核心可能存在大质量黑洞 (M (106-1010)M ),某些密近双星中可能存在恒星级质量黑洞某些密近双星中可能存在恒星级质量黑洞(M (5-100)M ),黑洞对其外面物质具有极强的引力作用。黑洞对其外面物质具有极强的引力作用。天文学家探测黑洞方法：天文学家探测黑洞方法：星系中心或密近双星系统中的黑洞附近物质形成吸积盘和喷流。星系中心或密近双星系统中的黑洞附近物质形成吸积盘和喷流。物质掉入黑洞附近时

5、，物质掉入黑洞附近时，引力势能引力势能 动能动能 (粒子碰撞粒子碰撞)热能热能 X X 射线辐射射线辐射或或 引力势能引力势能 动能动能 (在磁场中在磁场中)同步辐射同步辐射虽然黑洞本身是暗黑而无法直接观测的虽然黑洞本身是暗黑而无法直接观测的,但是天文学家通过对黑洞附近吸积盘的辐射性质的研究来探讨黑洞但是天文学家通过对黑洞附近吸积盘的辐射性质的研究来探讨黑洞的存在与它的性质的存在与它的性质(质量、转动性质质量、转动性质)类星体与活动星系核类星体与活动星系核“黑洞模型黑洞模型”的主要天的主要天文观测证据文观测证据1.动力学证据动力学证据：在距离银河系中心距离0.1-0.5 pc的区域内发现一些恒

6、星。通过对这些恒星围绕银河系中心运动的精确观测与分析，确定了位于银心的中心天体的质量约为4.6106 m 按照现有的恒星演化理论，如此超巨质量的“恒星”非常迅速地演化成为黑洞。因此，上述在银心附近恒星运动的观测与分析结果被公认为银河系中心天体“黑洞模型黑洞模型”最强的观测事实。（我们的模型中天体外的引力性质几乎完全类同于黑洞模型我们的模型中天体外的引力性质几乎完全类同于黑洞模型）。2.银心中心区域辐射的观测银心中心区域辐射的观测。在银心中心区域()探测到大量辐射,波段从射电直到近红外，以及x-射线丰富的辐射(因银心方向大量尘埃消光，无法直接探测光学波段的辐射)。按照黑洞模型黑洞模型,这些辐射被

7、“公认”为是由于外围吸积盘物质被黑洞吸积到黑洞附近,由掉落物质的引力势能转化为辐射能而发光。在这些报道有关的观测文章中，这些辐射一律被认为是黑洞存在的有力证据（强磁场将吸积盘物质流阻挡在强磁场将吸积盘物质流阻挡在外外）SR)505(I.新近的天文观测新近的天文观测 -发现了银河系中心反常強的径向磁场。发现了银河系中心反常強的径向磁场。(,2013,151,391)这篇文章报导了对紧密靠近银心区域新近发现的脉冲星这篇文章报导了对紧密靠近银心区域新近发现的脉冲星(PSRJ1745-2900，它是一颗周期为，它是一颗周期为3.76s的磁星、发现时它呈现明亮的磁星、发现时它呈现明亮的的X-ray闪耀闪

8、耀)的多波段射电测量。显示了脉冲星的反常大的的多波段射电测量。显示了脉冲星的反常大的Faraday旋转旋转(在外磁场下在外磁场下,射电辐射的偏振面的旋转射电辐射的偏振面的旋转)，它表明在中，它表明在中心黑洞附近存在着在动力学上重要的磁场。经过详细的分析后，本心黑洞附近存在着在动力学上重要的磁场。经过详细的分析后，本文主要的观测与分析的结果是文主要的观测与分析的结果是:在在 处处,银心向外的径向磁场的下限为银心向外的径向磁场的下限为:pcr12.0银河系空间的星际磁场通常是沿着银河系旋臂方向，磁场强度平均约为(10-6 G)银心附近如此强大磁场的直接物理后果银心附近如此强大磁场的直接物理后果:现

9、有流行的银河系中心黑洞模型失效。现有流行的银河系中心黑洞模型失效。关键原因关键原因:黑洞本身并不发光，黑洞模型是依赖外围吸积盘物质被黑洞吸积到黑洞附近,由掉落物质的引力势能转化为辐射能而发光。根据(磁流力学中的)“磁冻结”效应:当磁场足够强大，磁能密度大于等离子体吸积盘气体(及尘埃)的动能密度时，等离子体的吸积盘将被磁场阻挡在离银心相当远的距离以外。即等离子体吸积盘的气体(及尘埃)物质流将无法进入银心的内区。对于4.6106 m 的黑洞而言，黑洞的史瓦西半径 为因此，近年来在银河系中心天体紧邻区域内发射的辐射不可能是通过吸积的气体(及尘埃)发射的。黑洞模型失效黑洞模型失效 定量估计定量估计 D

10、etected radiation emitted from the GC两大科学疑难问题两大科学疑难问题1.银河系中心的黑洞模型失效。由于在银心外面0.12 pc处发现非常强的径向磁场,磁场强度超过了Alfven临界值 ,它将阻止(等离子体)吸积盘物质接近银心。天文学家近年来在银心附近天文学家近年来在银心附近 区域内探测到大量丰富的从区域内探测到大量丰富的从射电射电 到近红外辐射的热辐射和非热辐射、到近红外辐射的热辐射和非热辐射、X-射线辐射射线辐射(Falke&Marko,2013)。这些这些 辐射的源泉是什么辐射的源泉是什么？这是迄今的传统物理学无法解释的科学疑难问题。(第一个矛盾第一个

11、矛盾)2.重大疑惑：在距离银河系中心重大疑惑：在距离银河系中心 r=0.12 pc r=0.12 pc处反常強处反常強大的径向大的径向磁场磁场 (B 8mG)(B 8mG)的源泉是什么？的源泉是什么？物理学中有关产生磁场的现有己知理论都不可能产生如此强大的磁场，更不可能是强大的径向磁场。这是迄今的传统物理学无法解释的第二个科学疑难问题。(第二个矛盾第二个矛盾)2/12)4(rotAlfvenvBB星际磁场的产生机制星际磁场的产生机制:湍流发电机原理湍流发电机原理(Parker),1953)The key idea of the-turbulence dynamo mechanism:the i

12、nduced electro-dynamic potential of turbulence is parallel to magnetic field.“A toroidal magnetic field A toroidal electro-dynamic potential A toroidal current A poloidal magnetic field A poloidal electro dynamic potential A poloidal current A toroidal magnetic field.”:the curl of the turbulent velo

13、city of the fluid,and it is approximately equivalent to the large-scale vortex rotational angular velocity.is the electrical conductivity of the fluid and t is the typical timescale of the turbulence.-湍流发电机产生的磁场湍流发电机产生的磁场有关数据有关数据(太阳内最大磁场太阳内最大磁场:):)Gauss510星际磁场的产生星际磁场的产生迄今,观测到的较为致密星云的最强磁场是正在坍缩的星云W51

14、e2核心附近的磁场,(),(Koch et al.2012)星云密度 ,由此估算如果按照(Qiu et al.,ApJ Letters,2014,794,L18)对正在坍缩形成大质量恒星的大质量氢分子云G240.31+0.07的观测,磁场约为 ,对应粒子数密度约为 ,由此估算 .二者相差20倍。这同近年来人们对于 -湍流发电机理论中系数值的不确定性可达1-2个数量级的讨论(Charbonneau 2010)相符合。我们可以采取在离银心 0.12pc 处,由此估算通过 -湍流发电机机制产生的磁场为 ,比观测的下限(8 mG)至少低 倍结论：银心附近结论：银心附近0.12pc 处发现反常强的磁场下

15、限处发现反常强的磁场下限(8 mG)是不可能通是不可能通过过 -湍流发电机机制产生的。湍流发电机机制产生的。mGB19maxmGB1037107.2cmn10104,cturbtvrmGB 135107.2cm109105101,cturbtvr9101,cturbtvr326cmnG)0.1102(2410两大矛盾可能导致的科学意义两大矛盾可能导致的科学意义 1.1.在银心附近测定的如此强大的磁场是无法通过人们熟知的物在银心附近测定的如此强大的磁场是无法通过人们熟知的物来来解解释。释。例如例如，按照按照迄今最为有效的迄今最为有效的-湍流发电机机制湍流发电机机制,如此强大的磁如此强大的磁场是不

16、可能通过导电的等离子星际气体云产生的场是不可能通过导电的等离子星际气体云产生的(相差相差4个数量级个数量级)2.2.按照磁流力学，星际等离子体气体流是同磁力线冻结在一起的按照磁流力学，星际等离子体气体流是同磁力线冻结在一起的因此银心附近如此强大磁场必然将银心外围吸积盘的物质流阻挡在因此银心附近如此强大磁场必然将银心外围吸积盘的物质流阻挡在远离银心远离银心 r 0.1 pc()以外以外。而近年来人们观测到来自而近年来人们观测到来自银河银河系中心附近区域系中心附近区域 内的辐射不可能由银心外围吸积盘的物内的辐射不可能由银心外围吸积盘的物质流发射的质流发射的。这表明现有流行的银河系中心黑洞模型是无效

17、的这表明现有流行的银河系中心黑洞模型是无效的。这是对现代物理学和天体物理学的严峻挑战。这是对现代物理学和天体物理学的严峻挑战。这些天文观测结果似乎表明：必须寻找新的有效模型这些天文观测结果似乎表明：必须寻找新的有效模型。我们在十多年前提出来的 文文章章(2001ApJL,551,L23-L26)中的预言中的预言(而且是定量的预言而且是定量的预言)相吻合相吻合。这是目前给出这是目前给出定量预言的定量预言的唯一模型。唯一模型。gR510gR)505(及其预言及其预言Qiu-He Peng and Chi-Kang Chou,2001,ApJL.,551,L23-L26磁单极背景磁单极背景探讨探讨“

18、含磁单极天体含磁单极天体”的动机的动机1982 年,Cabrela 实验:声称探测到“磁单极事件磁单极事件”实验本身似乎无可挑剔，但没有重复探测到，无法肯定。1983年国际会议重点讨论“磁单极问题”。我探讨“含磁单极天体”的动机：“如果粒子物理学大统一理论预言的磁单极及其如果粒子物理学大统一理论预言的磁单极及其RC效应是可靠的效应是可靠的,那末它们会对天体物理学带来什么样影响那末它们会对天体物理学带来什么样影响?”宇宙早期原始等离子体云内的磁单极宇宙早期原始等离子体云内的磁单极cmcvTMRRlmegp1)10()(10132/1212,02/510各类天体内部可能的磁单极含量各类天体内部可能

19、的磁单极含量cmcvMRlmpcn2324,0357)10(101天体俘获的磁单极数量天体俘获的磁单极数量天体也可能通过俘获太空中运动的磁单极来积天体也可能通过俘获太空中运动的磁单极来积累。累。对于太阳、通常对于太阳、通常恒星、行星而言，它们内部所含有的磁单极数量主要靠俘获而来，恒星、行星而言，它们内部所含有的磁单极数量主要靠俘获而来，但其含量仍远低于牛顿饱和值。但其含量仍远低于牛顿饱和值。由于磁单极的超重由于磁单极的超重而沉积在天体核而沉积在天体核心区域。试图在这些天体表面来寻找磁单极几乎都是徒劳的。心区域。试图在这些天体表面来寻找磁单极几乎都是徒劳的。类星体、星系核俘获太空中运动的磁单极的

20、数量远远低于这些天体形成时原始保类星体、星系核俘获太空中运动的磁单极的数量远远低于这些天体形成时原始保留的磁单极留的磁单极。(彭秋和、李宗云、王德焴彭秋和、李宗云、王德焴,1985,465-474)地球上截获的在空间飞行的磁单极数量地球上截获的在空间飞行的磁单极数量(流量流量)估计如下估计如下:地球形成后俘获从空间飞行的磁单极总数量估计为地球形成后俘获从空间飞行的磁单极总数量估计为:1233)0()0(31233)0()0(183)0()0(3)100)(10)(1)(105.2)10)(1)(105.7)10(10YrmcvcmnscmcvcmncvcnvnmBSmmBSmmmBmmm5)0

21、(10)(Sm)10)(1)(105433)0()0(182cvcmntRNmBSm地球m地球m我们模型的主要思路我们模型的主要思路 1)我们利用粒子物理学中的我们利用粒子物理学中的Rubakov-Callan效应效应(RC效应效应):磁单磁单极催化核子衰变为轻子极催化核子衰变为轻子(重子数不守恒重子数不守恒)作为类星体、活动星系核的作为类星体、活动星系核的主要能源。替代黑洞模型主要能源。替代黑洞模型(周围的吸积流模型只是作为次要能源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。但是，含

22、有足够数量磁单极的超巨质量天体既无黑洞视界面、洞。但是，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物质密度,衰变的轻子与光子向外发射，因此中心密度不可能趋向衰变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无穷大。结合粒子物理学中的RC效应效应,避免了经典广义相对论的黑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。使自然界物理理论变得完全自洽与洞理论呈现的中心奇异性问题。使自然界物理理论变得完全自洽与相当和谐。相当和谐。(关于银心我们模

23、型关于银心我们模型)主要预言主要预言：极端超高能宇宙线的源泉极端超高能宇宙线的源泉 银心附近的辐射的来源银心附近的辐射的来源我们模型的引力性质我们模型的引力性质只要只要Nature(2013Nature(2013年年)那篇文章测量的银心方向那篇文章测量的银心方向0.12pc0.12pc处的磁场处的磁场(下限下限)是可靠的，是可靠的，根据根据迄今迄今 最有效的最有效的Alphe-湍流发电机理论湍流发电机理论,在银在银河系中心附近是不可能产生如此强大的磁场。几乎唯一可能的候选河系中心附近是不可能产生如此强大的磁场。几乎唯一可能的候选者是我们的者是我们的含磁单极含磁单极 的超巨质量天体的超巨质量天体

24、(非黑洞非黑洞)的星系核模型的星系核模型。我们的我们的 含磁单极的超巨质量天体含磁单极的超巨质量天体(非黑洞非黑洞)的星系核模型的星系核模型 中天中天体外的引力性质体外的引力性质(包括引力红移等包括引力红移等)几乎完全类同于黑洞模型。由于几乎完全类同于黑洞模型。由于我们的模型中，绝大部分物也都集中核心区域内我们的模型中，绝大部分物也都集中核心区域内,所以，即使在所以，即使在(1.1-1.2)(1.1-1.2)倍史瓦西半径处的引力性质大致相同。倍史瓦西半径处的引力性质大致相同。但是在黑洞视界面但是在黑洞视界面(史瓦西半径史瓦西半径)邻近，二者的行为完全不同。邻近，二者的行为完全不同。我们模型并不

25、排除外围物质的吸积盘，只是说外围物质的吸积盘不我们模型并不排除外围物质的吸积盘，只是说外围物质的吸积盘不是星系核是星系核(及类星体及类星体)光度光度(能源能源)的主要来源的主要来源。它们。它们光度光度(能源能源)的主要的主要来源是来源是):磁单、极催化核子的衰变磁单、极催化核子的衰变(RC效应效应)过程。过程。结论结论2013年年Nature文章中的观测结果显示了银心附近很强的径向磁场，文章中的观测结果显示了银心附近很强的径向磁场，它可能具有两个重大意义它可能具有两个重大意义:1)银河系中心银河系中心的黑洞模型的黑洞模型是非物理的。是非物理的。2)它可能是它可能是(粒子物理学预言的粒子物理学预

26、言的)磁单极存在的强烈天文观测证据。磁单极存在的强烈天文观测证据。3)我们的我们的就有可能是就有可能是 (目前己经提出的唯目前己经提出的唯一一的的)一一种合理模型种合理模型。*物理学是以实验为基础的学科。物理学是以实验为基础的学科。天文学是以天文观测与发现为主导的学科。天文学是以天文观测与发现为主导的学科。天文现象的探索是以物理理论为指导。天文现象的探索是以物理理论为指导。物理理论必须经得住天文观测的检验。物理理论必须经得住天文观测的检验。实践是检验真理的唯一标准实践是检验真理的唯一标准-。两个致密天体碰撞与并合过程中引力波的研究。两个致密天体碰撞与并合过程中引力波的研究。当前国际上引力波天文

27、学的研究正处于热火阶段。空间探测的国际高频引力波探测计划LISA项目(探测当两个活动星系核(被认为是超大质量黑洞)碰撞并合过程产生的引力波)正在计划之中，而由两个质量较小的致密天体（黑洞、引力波探测项目已开始获得一些探测数据，估计在2017年就中子星、白矮星）碰撞并合过程中产生引力波的地面 Advanced LIGO可以进行有效的数据分析。如果这两个相互碰撞的致密天体含有一定数量的磁单极，在碰撞过程中它们产生的引力波波形将不同于不含磁单极的情形。一旦Advanced LIGO 释放探测的数据后，可以来判断哪种模型正确。这是检验磁单极模型或黑洞模型的另一种独立方法。一这项研究将是很有意义的。谢谢谢谢。