磁单极驱爆超新星等天体能源的统一模型课件.ppt
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- 单极 超新星 天体 能源 统一 模型 课件
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1、磁单极驱爆超新星等天体能源的统一模型磁单极驱爆超新星等天体能源的统一模型彭秋和彭秋和(南京大学天文系南京大学天文系)I.天体物理学天体物理学中的中的重大迷团重大迷团超新星分类超新星分类(按爆发机制分类按爆发机制分类)1.核心坍缩型超新星核心坍缩型超新星(SNII、SNIb、SNIc,SLSN)2.吸积白矮星的热核爆吸积白矮星的热核爆炸型超新星炸型超新星(SNIa)超新星爆发之谜超新星爆发之谜SNII、SNIb、SNIc (长 暴的起源)、SLSN 前身星初始主序质量:)500150(),10070(),6030(),258(m爆发能量爆发能量总辐射能总辐射能 Er 1049 ergs (对各类
2、超新星)抛射物总动能抛射物总动能:EK 1051 ergs (对各类超新星)104 Km/sSN Ia:Vmax 104 Km/sSN II:一般一般:Vmax 104 Km/s SN 1987A:Vmax 3104 Km/s(引力引力)束缚能束缚能:EB (0.5 1.0)1051 ergs(对各类超新星)爆发总能量爆发总能量:SN Ia:E总总=Er+EK+EB 1051 ergs SN II:中微子暴中微子暴:E 1053 ergs (SN 1987A)(核心坍缩成中子星核心坍缩成中子星)E总总 1053 ergs 关于核心坍缩型超新星爆发的争论关于核心坍缩型超新星爆发的争论Buras
3、et al.,2003,Phys.Rev.Lett.,90 No.24,241101“Improved Models of Stellar Core Collapse and Still No Explosions:What is Missing?”M.Liebendrfer,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对称因素(例如,旋转、对流、磁场因素例如,旋转、
4、对流、磁场因素)和不稳定因素和不稳定因素,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功的”(on the conference AwR V,Sep.2005,at Clemson University,USA)超亮超新星超亮超新星(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。S
5、LSN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 mM21maxmM20maxsergs/102.249sergs/101.152暗爆发的超新星暗爆发的超新星很弱的爆发很弱的爆发:例如例如,Cas A(1668年年)最近最近Chandra卫星探测到银河系内在卫星探测到银河系内在110年前爆年前爆发的超新星遗迹发的超新星遗迹(暗爆发暗爆发)原因与爆发机制原因与爆发机制?地球内部核心熔融状态的热源问题地球内部核心熔融状态的热源问题地球核心区蕴藏的
6、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).“Earths surface heat flux”.Solid Earth,1(1),524).热传导时标:kmrc31023/13cmgcKTc3106)3020(ergsET37107.0sergsJr/107.420YrJEtrTth916105.0sec105.1结论结论:地球核心区需要热源地球核心区需要热源!地球内部放射性元素能源估算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:410
7、-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。需要另外尋求能源部温度六千度,也不可能点燃热核反应。需要另外尋求能源。1210)(/)(HnUn1010)(/)(HmUmTUEergsE334105.1100.1gmMEarth27106gmUM17106)(白矮星冷却之谜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
8、矮星内部蕴藏的总热能:冷却时标:问题问题:为何迄今没有表面温度低于为何迄今没有表面温度低于3000K的晚的晚M型和型和N型白矮星型白矮星?它它们具体的热源是什么?们具体的热源是什么?KKTeff)000,40500,5(kmR4101sergsTRLeff/1043142KTc710ergsET4710YrtCooling9105.0II.磁单极问题磁单极问题 I.磁单极及磁单极及其数量其数量1931年 Dirac预言存在磁单极20C.70年代:tHooft 磁单极:磁荷:RC效应:磁单极催化核子衰变 磁单极含量磁单极含量:(Parker上限上限)牛顿饱和值牛顿饱和值:星体内物质对其聚集区表面
9、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:pmmm1610).(1088.92/38sgcehcgm%)15(%)85(0debrisMepMdebrisMepM22625)1010(cmBmNN/252109.1/mmBsgmGm120)0(10Strongly coupled plasma with electric and magnetic chargesJinfeng Liao and Edward Shuryak(PHYSICAL REVIEW C 75,054907(2007)?)1010(43pmmm粒子物理学
10、近年来的最新有关研究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 magn
11、etic 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
12、monopole solutions in Weinberg-Salam model”各类天体内部包含的磁单极数量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
13、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。流量太小,迄今地球上物理实验无法探测。1243)0()0(41243)0()0(19)100)(10)(1)(105.2)10)(1)(106YrmcvcmnscmcvcmnvnmBsmmBsmmmm恒星恒星(行星行星)一生中一生中俘获俘获太太空空中中飞行磁单极飞行磁单极的的数量数量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
14、性结果只能证实我们指出的在地球表层没有磁单极。)10()(10)(1)(101.149243)0()0(212YrtRRcvcmntRNSunmBsmmm)105.4()6370)(10)(1)(1059243)0()0(17YrtkmRcvcmnNmBsmm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。1810地球物理实验室未能探测到磁单极的原因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 (,维基
15、百科,自由的百科全书,2016年新版)。地球内部地球内部所有的磁单极所有的磁单极()()都沉降在地球的核心都沉降在地球的核心内。在内。在地球表层地球表层(或地壳或地壳)进行的进行的任何物理实验不可能发现磁单极。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,
16、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。2910331061810mN1610mN34102gmMMEarthMoon261074.081/RC光度光度在磁单极聚集核心区在磁单极聚集核心区,通过磁单极催化核子衰变反应通过磁单极催化核子衰变反应(RC效应效应),产,产生的总光度生的总光度: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
17、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 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。起作最为关键的重大作用。223)3/4(cmvnNcmvnnrLBTBmBTBmcmpTmkTv/3III.含有磁单极的活动星系核模型含有磁单极的活动星系核模型 问题(1983年):如如果果粒子物理学中有关磁单极的观念及其粒子物理学中有关磁单极的观念及其RC效应是正确的,它效应是正确的,它会对天体物理学带来什么重要的作用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它们会产生哪些重要的观
18、测效应?利用磁单极催化核子衰变反应作为能源利用磁单极催化核子衰变反应作为能源,在在30年前我们就提出了年前我们就提出了,.主要思路主要思路: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
19、预言及其观测检验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对于银河系中心超巨质量天体,我们模型的我们模型的五个五个主要预言主要预言(2001):1)产生并发射大量正电子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 射线).我们预言的正电子产生率在定量上被我们预言的正电子产生率在定量上被2003年高能天年高能天文文观测观测 相吻合相吻合。(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
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