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繫心活第32期--不盲從主流旋律的天文學家(三)
2018/07/30 07:20:35瀏覽199|回應0|推薦0

前期概要:彭秋和是南京大學的天文學家。抗戰中的童年,他在一所孤兒院受教育,啟發了科學興趣;文革中的青年,他在北京大學教學,熬過了風聲鶴唳年代,培養他獨立思考的習慣。或許就因如此,他在天文、物理都很有自己的想法。第一期我們介紹了他對宇宙加速膨脹的理論提出批判,認為許多基礎假設有問題,現在下結論還太早。第二期他用磁單極的理論建立銀河中心的模型,他在30多年前就以此做出五項預測,目前已經有三項為人所觀察到。這一期他繼續用磁單極的理論來討論中子星與白矮星的散熱過程,以下依舊以第一人稱來敘述。文末則附上第二期刊出後讀者的質疑,以及彭秋和回復的內容。

1942年蓋莫(George Gamow試圖利用烏卡過程來探討超新星的爆發機制以來,75年之後的今天雖然學者們費盡心思採用了現代核物理、粒子物理、流體動力學等所有已知理論,但仍束手無策,核心坍縮型超新星的爆發機制仍然是謎。

烏卡過程Urca process

這是用來解釋中子星或白矮星內部冷卻的過程,最早蓋莫跟別的天文學家在巴西里約熱內盧的烏卡賭場討論時說道:在超新星爆炸的過程中,能量的消失快得就像賭桌上的錢一般。「烏卡」一詞在俄羅斯南部還有被匪徒搶劫的意思,這可能反應了蓋莫這位俄裔美籍的天文物理學家用所知道的粒子物理機制,列出來一些可能的過程,但仍無法解釋能量如何消失。這用來當賭場的名稱讓人會心一笑,但用在天文物理上則有點讓人感覺不舒服,誰偷走了大量的能量呢?

特別是對於超亮超新星的爆發機制天文學家更是丈二和尚摸不着頭腦。

此外人們還發現了有的超新星可能呈現出很弱的爆發 暗爆發。例如超新星遺跡Cas A 到地球的距離為3.4Kpc對應的超新星於 1680年爆發時它的光極大視亮度估計只有51999年發現了它爆發後遺留的中子星。最近Chandra 衛星X-射線探測發現, 銀河系內的星雲G1.9+0.3是大約110以前爆發的超新星遺跡但是人們從未報道過它的爆發。它們就可能屬於這種暗爆發。人們也無法解釋這種弱爆發 暗爆發的超新星。總之超新星爆發之謎是當今天體物理學最重大與最難解的謎團之一。

仙后座ACas A)的超新星遺跡(取自維基百科)

在對超新星的前身星體在空間中捕獲的磁單極數量進行簡單估算的基礎上, 我採用粒子物理學中提出的磁單極催化核子衰變反應(Rubakov-Callaen效應能源來作為各類核心坍縮型超新星(SNIISNIbSNIc SLSN γ包括長暴和短暴的爆發所需要的能源機制,可以用一個統一的公式給出了各類超新星爆發時的光度稱為RC光度。這個統一的公式顯示超新星的前身星的質量愈大它的核心坍縮時的中心物質密度愈高,而在中心區域磁單極催化核子衰變反應的速率同坍縮核心的中心物質密度平方成正比。對於前身星的質量相當大的超新星來說當坍縮核心的中心物質密度接近或超過原子核密度時這種RC光度就會遠遠超過星體的Eddington光度,形成強爆發的超新星對於前身星的質量不大的超新星核心坍縮時中心物質密度遠低於原子核密度它們的RC光度就可能剛剛超過星體的艾丁頓光度,或超過不太多,這就形成暗爆發或弱爆發的超新星。如果超新星的前身星的質量超過太陽質量200-500倍時它們的RC光度就會達到1050 -1052 erg/s以上形成超亮超新星,是我們太陽亮度的1017-1019倍。

艾丁頓光度Eddington Luminosity

這是指吸積天體發光所能達到的最大亮度,此時作用在一個粒子上向內的重力與其受到向外的輻射壓力達到平衡。

當超新星爆發時,大量物質向外拋射的速度超過星體的引力逃逸速度。 超新星爆發時整個星幔、包層和外層大氣都已向外拋射而遠離星體。但是,當RC光度降低和相應的輻射壓強下降時那些拋射速度尚未達到逃逸速度的星體內層,特別是核心區物質開始向星體中心回落。但是它們不會坍縮成密度無窮大而形成黑洞,這是因為,雖然大部分磁單極會由於強烈的電磁相互作用隨着星體核心的等離子體物質而向外迅速被拋射出星體但是超新星殘骸內仍然會保留少量磁單極。這些殘留的超重磁單極仍然存留在它的最內層。它們仍然持續不斷地催化核子衰變,產生的輻射壓向外頂住物質的坍縮。當它內部核心磁單極催化核子衰變產生RC光度遠遠低於這個殘留星體的艾丁頓光度時殘留的星體最後終於會達到某種穩定的動力學平衡狀態。

超新星爆發後存留的殘骸是類似於中子星的一種天體中心最內部核心的物質密度不高由於殘存的磁單極持續不斷地催化核子衰變,提供能源、產生強大的輻射壓,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量可能沒有上限,至少沒有迄今公認為2.5 M的上限。迄今雖然已有約20顆中子星它們都是密近雙星成員的質量已經測定都小於2M。但是,大質量中子星起源於超巨質量恆星演化終結時的超新星爆發。按照薩爾皮特(Salpeter恆星初始質量分布函數初始主序質量超過100M的超巨質量恆星所占的百分比遠低於0.01%,這說明大質量的中子星比例很低,不能夠以現在未發現到大於2.5 M的中子星,就以此作為中子星的質量上限。

蓋莫自宇宙熱大爆炸模型是建立在天文觀測的哈伯定律(宇宙目前在膨脹)基礎上的自然推論。但迄今無人知曉這種宇宙熱大爆炸的具體物理機制,它使得早期宇宙學在六、七十年中陷入了永無止境量子宇宙學或早期宇宙學的毫無任何證據與希望的幻想與科學游戲或猜測之中。

利用磁單極催化核子衰變RC效應產生的RC光度作為能源,類似於磁單極驅爆超新星的物理機制,我們提出整個宇宙來回反復地因熱大爆炸膨脹和引力收縮的震蕩模型,目前正在審稿中

前期內容正反激盪

讀者回響:上期一開始說「2013年在《Nature》的一篇文章 報導了在離銀心距離為0.12 pc 處,探測到異常強大的徑向磁場,下限為8 mG。由此推論:等離子體的吸積盤將被磁場阻擋在離銀心相當遠的距離(至少 r > 0.15pc)」

然而等離子體是巨觀中性氣體,不會受到磁場的影響。這點基礎立論就有問題,後面推論磁單極的存在就不具必要性了。

彭秋和回應:等離子體物理磁流體動力學的基本常識是:等離子體雖然整體呈電中性,但是它完全不同於通常的電中性流體。在宇宙太空中大尺度場合下,等離子體的電導率是非常大的。在存在磁場下,等離子體流體同磁力線凍結在一起,這是著名的磁流凍結效應,它的提出者在1950年代為此獲得諾貝爾物理學奨。

在磁場較弱時即磁能密度遠小於等離子體流體動能密度情形下磁力線被束縛在等離子體流體上隨着等離子體流體一起運動例如太陽風。而當磁場非常強時,磁能密度遠遠大於等離子體流體動能密度情形下等離子體流體就不可能穿越磁力線磁力線剛性特別強。銀河系中心以外的繞銀河系中心旋轉的等離子體吸積盤就不可能進入銀河系中心的內區(r<0.15pc

這位學者可能提出,吸積的「等離子體」物質可以沿着徑向磁場一直掉落到銀河系中心進入黑洞。如果按照這個圖像,當物質墜落還遠未到達黑洞視界面時它們的速度幾乎達到0.8光速以上,必然造成極高能的巨大輻射,這是完全違背天文觀測的。

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引用
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