核天体物理学及尚待解决的重大疑难问题

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1、核天体物理学核天体物理学及尚待解决的及尚待解决的重大疑难问题重大疑难问题彭秋彭秋和和(南京大学天文系)2004.11.17内容内容I.引言：引言：核天体物理学及其重大疑难问题核天体物理学及其重大疑难问题II.II型超新星的爆发机制问题型超新星的爆发机制问题?III我对超新星爆发机制的新观点与新建议我对超新星爆发机制的新观点与新建议(2004)IV高速中子星的物理本质高速中子星的物理本质?（我的新模型（我的新模型,2003）V脉冲星脉冲星Glich的本质的本质?（我的新模型（我的新模型,2004）VI星际星际26Al天体起源问题天体起源问题?（我的观点（我的观点,1992）VII.极端超高能宇宙

2、线的天体起源问题极端超高能宇宙线的天体起源问题?（我的模型（我的模型,2002）VIII太阳中微子问题与中微子振荡太阳中微子问题与中微子振荡!I.引言引言核天体物理学核天体物理学及其及其重大疑难问题重大疑难问题核天体物理学范畴核天体物理学范畴核天体物理学核天体物理学:广义广义:同同(理论与实验理论与实验)核物理学核物理学(包括粒子物理学包括粒子物理学)相关的相关的天体物理研究领域。天体物理研究领域。狭义狭义:直接核直接核(粒子粒子)物理学理论与实验结果密切相关的天物理学理论与实验结果密切相关的天体物理领域。体物理领域。主要内容主要内容:恒星内部热核燃烧与演化研究恒星内部热核燃烧与演化研究元素核

3、合成研究元素核合成研究1)宇宙早期核合成研究宇宙早期核合成研究(A70)核合成核合成:a)慢中子俘获过程慢中子俘获过程(s-过程过程);b)快中子俘获过程快中子俘获过程(r-过程过程);c)快质子俘获过程快质子俘获过程(rp过程过程)(续)星系化学演化学星系化学演化学星际空间中各种放射性核素的天体来源星际空间中各种放射性核素的天体来源;各种星体元素丰度反常的物理原因各种星体元素丰度反常的物理原因陨石化学异常陨石化学异常的研究的研究两类超新星两类超新星(及新星及新星)爆发物理学爆发物理学两类两类x射线暴机制射线暴机制暴机制暴机制中子星中子星(内部内部)物理学和奇异星的研究物理学和奇异星的研究太阳

4、中微子问题太阳中微子问题超高能宇宙线的天体起源超高能宇宙线的天体起源核天体物理学的重要性与国际状况核天体物理学的重要性与国际状况核天体物理学是现代天体物理学的一个重要分支。先后核天体物理学是现代天体物理学的一个重要分支。先后已有已有6人获得诺贝尔奖金人获得诺贝尔奖金(包报包报2002年的两位获奖者年的两位获奖者)。在大规模核裁军之后，西方国家庞大的核物理研究机构在大规模核裁军之后，西方国家庞大的核物理研究机构解体与转变研究方向。解体与转变研究方向。 特别在特别在1986年核天体物理学两个爆炸性新闻年核天体物理学两个爆炸性新闻(大量放射性大量放射性元素星际元素星际26Al的发现以及核反应截面的发

5、现以及核反应截面的重新确定的重新确定)致使整个大质量恒星演化研究重新改写之后，致使整个大质量恒星演化研究重新改写之后，在美德日等国家大力支持下在美德日等国家大力支持下,实验核天体物理迅猛发展。实验核天体物理迅猛发展。国际会议每至少两、三次以上。近年来天体物理观测国际会议每至少两、三次以上。近年来天体物理观测(例如陨石化学分析、恒星与星系化学元素丰度测定、各例如陨石化学分析、恒星与星系化学元素丰度测定、各种手段的空间光谱与种手段的空间光谱与X-射线谱线的观测射线谱线的观测)获得飞跃发展。获得飞跃发展。(续续)由于天体内核反应截面的实验不确定性给天体物理理论由于天体内核反应截面的实验不确定性给天体

6、物理理论研究带来研究带来相当大的困难与不确定性。例相当大的困难与不确定性。例:10-4(1988以前估计以前估计)104(1988)在理论上存在着许多重要疑难问题，有不少则属于天体在理论上存在着许多重要疑难问题，有不少则属于天体物理和理物理和理论物理界共同关注的重大疑难问题。论物理界共同关注的重大疑难问题。核天体物理研究机构核天体物理研究机构西方先进国家核天体物理学的研究历史己在五、西方先进国家核天体物理学的研究历史己在五、六十年以上。六十年以上。发达国家几乎都至少有十几个发达国家几乎都至少有十几个(或二、三十个或二、三十个)研究研究小组从事核天体物理学各个不同方面的研究小组从事核天体物理学各

7、个不同方面的研究:包括包括核天体物理实验、陨石分析、天体核天体物理实验、陨石分析、天体(恒星、星系恒星、星系)元元素丰度的测定以及前述各方面的理论研究素丰度的测定以及前述各方面的理论研究(包括数包括数值模拟计算值模拟计算)。参与研究的单位涉及天体物理学界、核物理学界参与研究的单位涉及天体物理学界、核物理学界以及地学界以及地学界(陨石分析陨石分析)。我国的研究小组我国的研究小组南京大学天文系南京大学天文系(1980):(彭秋和小组、戴子高彭秋和小组、戴子高)核天体物理学核天体物理学各个方面各个方面的理论研究的理论研究北京应用数学所北京应用数学所(198320002000):SNII爆发机制数值模

8、拟计算研究爆发机制数值模拟计算研究北京师范大学天文系北京师范大学天文系(1990):SN统计研究与统计研究与SNIa模拟计算研究模拟计算研究国家天文台国家天文台(1988):恒星化学丰度的观测测定恒星化学丰度的观测测定;超新星观测超新星观测北京大学天文系北京大学天文系(2000徐仁新徐仁新):(裸裸)奇异星奇异星华中师范大学华中师范大学(2002郑小平小组郑小平小组):(带外壳带外壳)奇异星奇异星河北师范大学物理系河北师范大学物理系(1990张波小组张波小组(同彭秋和合作同彭秋和合作):AGB星核合成与元素丰度研究星核合成与元素丰度研究西华师范大学物理系西华师范大学物理系(1995罗志全罗志全

9、(同彭秋和合作同彭秋和合作,):超新星核心内电子俘获过程研究超新星核心内电子俘获过程研究核物理研究所核物理研究所上海原子核研究所上海原子核研究所(1990-1992,彭秋和合作彭秋和合作);恒星内热核反应恒星内热核反应(12C+12C,16O+16O,14N+16O)研究研究兰州近代物理研究所兰州近代物理研究所(1993)19Ne(p,)20Na 反应截面反应截面(间接间接)研究研究北京原子能研究院北京原子能研究院(白希祥小组、陈永寿小组、姜山小白希祥小组、陈永寿小组、姜山小组组,1995年以后开始转向实验核天体物理学研究年以后开始转向实验核天体物理学研究:天天体热核反应实验研究。体热核反应实

10、验研究。2002年开始出成果。例年开始出成果。例:(吴开谡吴开谡):13C(,n)16O(中子源中子源)截面研究截面研究(舒能川舒能川):3He(,)7Be(,)11C(p,)12N(+ )12C截面截面研究研究姜山小组姜山小组:直接进行实验直接进行实验,验证、支持彭秋和提出的验证、支持彭秋和提出的合成合成星际星际26Al的核反应途径预言的核反应途径预言(1995),实验在实验在2004年初获年初获得初步成果。得初步成果。核天体物理学重大疑难问题核天体物理学重大疑难问题整个天文学和理论物理学共同关注的重大疑难问题有整个天文学和理论物理学共同关注的重大疑难问题有:超新星爆发机制问题超新星爆发机制

11、问题:理论上至今仍然无法模拟理论上至今仍然无法模拟II型超新星的爆发型超新星的爆发中子星中子星(脉冲星脉冲星)方面的重大疑难方面的重大疑难(核天体物理核天体物理)问题问题:1)高速中子星的起因高速中子星的起因?2)年轻脉冲星年轻脉冲星Glitch现象产生的物理原因现象产生的物理原因?星际星际 2626AlAl的天体起源问题的天体起源问题? ? 极端超高能宇宙线的天体起源极端超高能宇宙线的天体起源? ? 太阳中微子问题太阳中微子问题 中微子振荡中微子振荡 暴的产生机制暴的产生机制?奇异星奇异星? ? 裸奇异星裸奇异星? ?重元素核合成的重元素核合成的r-r-过程过程? ?许多重要热核反应反应率许

12、多重要热核反应反应率( (截面截面) )的不确定性及其对天体物理过程的不确定性及其对天体物理过程( (例例: : rprp- -过程、过程、s-s-过程、大质量恒星晚期热核演化过程、大质量恒星晚期热核演化) )的影响的影响? ?II.II型超新星型超新星的的爆发机制爆发机制问题问题一、超新星爆发机制问题一、超新星爆发机制问题1. 核心坍缩型超新星(SNII、SNIb,、SNIc)2. 吸积白矮星的热核爆炸型超新星(SNIa)超新星分类超新星分类大质量恒大质量恒星热核演星热核演化结束化结束硅燃烧阶段结束硅燃烧阶段结束M(12-25)MH-包层包层H-燃烧壳层燃烧壳层He-燃烧壳层燃烧壳层C-燃烧

13、壳层燃烧壳层Ne-燃烧壳层燃烧壳层O-燃烧壳层燃烧壳层Si-燃烧壳层燃烧壳层Fe核心核心T (3-5) 109K 3 109g/cm3导致大质量恒星导致大质量恒星(演化结束时演化结束时)核心坍缩的主要物理因素核心坍缩的主要物理因素引起引起SNII(SNIb、SNIc)核心坍缩的首要物理因素是电子俘获过程核心坍缩的首要物理因素是电子俘获过程(EC)当当(光子致使铁原子核碎裂反应只是辅助因素光子致使铁原子核碎裂反应只是辅助因素)引起吸积白矮星坍缩引起吸积白矮星坍缩(导致导致SNIa爆发爆发)主要因素是广义相对论效应。主要因素是广义相对论效应。导致超巨质量恒星坍缩的主要因素是电子对湮灭为中微子对过程

14、导致超巨质量恒星坍缩的主要因素是电子对湮灭为中微子对过程II型超新星核心的坍缩型超新星核心的坍缩内核心内核心:同模坍缩同模坍缩Vrr(亚声速区亚声速区)外核心外核心:自由坍缩自由坍缩VrVff/2M内核心内核心0.6M内外核心交界面附近内外核心交界面附近: :V Vr r (1/81/4)c(光速光速)超新星核心坍缩与反弹超新星核心坍缩与反弹随着星体坍缩的进行，星体中心的密度迅速增长。一旦它随着星体坍缩的进行，星体中心的密度迅速增长。一旦它达到原子核密度达到原子核密度nuc(nuc=2.81014g/cm3)以上，核子的非相对论简并压强超过了电子的相对论简并以上，核子的非相对论简并压强超过了电

15、子的相对论简并压强，物质状态方程压强，物质状态方程 P P 中的多方指数中的多方指数 =5/3,变成了稳定的系统，不再坍缩。但由变成了稳定的系统，不再坍缩。但由于惯性，直到中心密度达到于惯性，直到中心密度达到(2-4)nuc时，内核心的坍缩时，内核心的坍缩才才完全中止。而内核心外围的物质却继续以超音速坍塌，它完全中止。而内核心外围的物质却继续以超音速坍塌，它们猛烈地撞击在突然停止坍缩的坚硬的内核心上，因而在们猛烈地撞击在突然停止坍缩的坚硬的内核心上，因而在内核心外不远处立即产生一个很强的向外行进的反弹激内核心外不远处立即产生一个很强的向外行进的反弹激波，其能量高达波，其能量高达Eshock10

16、51-52ergs。光裂变反应导致反弹激波的能量损耗光裂变反应导致反弹激波的能量损耗反弹激波的巨大能量是由星体核心在坍缩过程中释放出的反弹激波的巨大能量是由星体核心在坍缩过程中释放出的自引力势能转化而来的。激波波阵面后的温度上升到自引力势能转化而来的。激波波阵面后的温度上升到1011K以上，平均热运动能量高达以上，平均热运动能量高达10MeV,超过了超过了56Fe平平均每个核子的结合能均每个核子的结合能(8.8MeV)。铁族元素的原子核很快地被热光子打碎铁族元素的原子核很快地被热光子打碎:(1foe=1050ergs)能量耗损率能量耗损率瞬时瞬时爆发机制失效的原因爆发机制失效的原因如果如果则激

17、波可以冲出外核心。而且当它完全摧毁外核心的全部铁核以后，则激波可以冲出外核心。而且当它完全摧毁外核心的全部铁核以后，初始激波能量只要尚能剩下初始激波能量只要尚能剩下1%1%以上的能量以上的能量( (即即 10104949ergs),ergs),残留的激残留的激波就可以把整个星幔和大气抛向太空，形成超新星的爆发。波就可以把整个星幔和大气抛向太空，形成超新星的爆发。 瞬时爆发机制。瞬时爆发机制。如果如果特则当上述反弹激波尚未穿透外核心之前，激波能量全部都消耗在特则当上述反弹激波尚未穿透外核心之前，激波能量全部都消耗在铁核光致裂解的过程中。它不可能把星幔和大气层吹散。不会导致铁核光致裂解的过程中。它

18、不可能把星幔和大气层吹散。不会导致超新星的爆发。而且由于核心外围的星幔和大气继续问中心坠落，超新星的爆发。而且由于核心外围的星幔和大气继续问中心坠落，原来向外行进的反弹激波转变成为一个吸积驻激波。也就是说，这原来向外行进的反弹激波转变成为一个吸积驻激波。也就是说，这种情形下，瞬时爆发机制失败。种情形下，瞬时爆发机制失败。结论结论:瞬时爆发机制能否成功的关键在于反弹激波能量的大小瞬时爆发机制能否成功的关键在于反弹激波能量的大小以及它的外以及它的外(铁铁)核心的质量是否过大核心的质量是否过大?两种探讨途径两种探讨途径;1)设法增加反弹激波能量设法增加反弹激波能量 例如，为使核心坍缩得更为例如，为使

19、核心坍缩得更为致密致密( (释放更多的自引力能释放更多的自引力能),),人为地选取过小的原子核人为地选取过小的原子核压缩模量系数压缩模量系数 K K 130 ( 130 (核物理实验值核物理实验值 K K 210-220) 210-220)2)2)反复地修改大质量恒星爆前演化模型，以图拼命地降低反复地修改大质量恒星爆前演化模型，以图拼命地降低外铁外铁( (核心核心) )质量质量迄今对所有合理的模型计算而言，迄今对所有合理的模型计算而言，瞬时爆发机制是不成功的瞬时爆发机制是不成功的(铁铁)核心的质量太大。核心的质量太大。 中微子延迟爆发机制中微子延迟爆发机制为了解释瞬时爆发为了解释瞬时爆发的困难

20、，的困难，Wilson(Bowers,Wilson,1985)等人等人提出了中微子的延提出了中微子的延迟爆发机制。他假迟爆发机制。他假定新生中子星在定新生中子星在0.5秒内产生大量秒内产生大量(1052ergs以上以上)的的中微子流。它同物中微子流。它同物质相互作用，中微质相互作用，中微子流的动量冲压导子流的动量冲压导致超新星爆发致超新星爆发本图描述了反弹激波在停止后景象。本图描述了反弹激波在停止后景象。Rs为激波所在的位置，此处物质以为激波所在的位置，此处物质以Vff的的速度向下降落（速度接近自由落体）。物质经过激波的减速之后，以较为缓慢的速度向下降落（速度接近自由落体）。物质经过激波的减速

21、之后，以较为缓慢的速度经过加热和冷却区向新生中子星的表面运动。速度经过加热和冷却区向新生中子星的表面运动。R :中微子球半径中微子球半径,Rns:新生新生中子星的半径。中子星的半径。Re:加热和冷却相平衡处的半径。加热和冷却相平衡处的半径。中微子延迟爆发机制中两个尚未解中微子延迟爆发机制中两个尚未解决的关键问题决的关键问题 1)1)新生的高温中子星能否在非常短的时标新生的高温中子星能否在非常短的时标内产生如此巨大的中微子流内产生如此巨大的中微子流? ?产生如此强大的中产生如此强大的中微子流的具体物理过程是什么微子流的具体物理过程是什么? ?( (凝聚的中微子发射凝聚的中微子发射? ? 核物质向

22、核物质向(u,d)(u,d)夸克物质夸克物质的转化的转化? ? 均未成功均未成功) ) 2) 2)即使在极短时标内出现了强大的中微子流，即使在极短时标内出现了强大的中微子流，它们同物质相互作用究竟能否产生如此强大的向它们同物质相互作用究竟能否产生如此强大的向外冲压，导致超新星的爆发，而且爆发物质向外外冲压，导致超新星的爆发，而且爆发物质向外的初始速度高达的初始速度高达 10104 4 km/s km/s 左右，爆发总动能否左右，爆发总动能否达到达到 10104949 erg? erg?我们的研究我们的研究:巨大中微子流如何在瞬间产生巨大中微子流如何在瞬间产生?19951995年，我们南京大学研

23、究小组年，我们南京大学研究小组(Dai Z. Peng Q. and Lu T. (Dai Z. Peng Q. and Lu T. ApJApJ., 1995,440:815)., 1995,440:815)提出了由超新星坍缩核心形成的高温中子星提出了由超新星坍缩核心形成的高温中子星内相继出现的核物质内相继出现的核物质-(u,d)-(u,d)两味夸克两味夸克-(s,u,d)-(s,u,d)三味夸克的相变过程三味夸克的相变过程u + eu + e- - d + d + e e , , u + eu + e- - s + s + e e , u + d , u + d u + s u + s 将

24、在短于将在短于1 1微秒的时标内产生大量中微子流，其平均能量为微秒的时标内产生大量中微子流，其平均能量为10MeV10MeV左右，总能量达左右，总能量达 10105252erg erg 以上。这种相变过程导致星体核心区出以上。这种相变过程导致星体核心区出现负熵梯度引起内外物质的现负熵梯度引起内外物质的SchwarshildSchwarshild对流将使这强大中微子流对流将使这强大中微子流向外输送向外输送, ,迅速抵达中微子球表面迅速抵达中微子球表面。我们提出的这种机制大大有利于中微子延迟爆发机制。在我们的我们提出的这种机制大大有利于中微子延迟爆发机制。在我们的初步探讨中，我们用理想初步探讨中，

25、我们用理想FermiFermi气体作为夸克系统的最简单模型。气体作为夸克系统的最简单模型。很快地，印度德里大学的一个研究小组在我们研究的基础上，进很快地，印度德里大学的一个研究小组在我们研究的基础上，进一步计入了夸克之间相互作用，发现中微子流量将更加增强一步计入了夸克之间相互作用，发现中微子流量将更加增强1/41/4左左右。这方面研究还在深入之中。右。这方面研究还在深入之中。我们这篇论文也己成为最近几年人们探讨奇异我们这篇论文也己成为最近几年人们探讨奇异( (夸克夸克) )星的奠基性论星的奠基性论文之一。例如文之一。例如, , Kernenetal.,2004,astro-ph/0406448

26、“Neutrinoemissionandmassejectioninquarknovae”中微子延迟爆发机制中中微子延迟爆发机制中仍然未解决的关健仍然未解决的关健问题问题中微子流能否激活强大的向外激波中微子流能否激活强大的向外激波? ? 迄今仍然也迄今仍然也是悬案。人们不仅考虑了己知各种基本粒子是悬案。人们不仅考虑了己知各种基本粒子( e( e- -, e, e+ +, p, n, , p, n, , , 0 0， , , 以及以及 1616O O等原子核等原子核) )同中微子的相互作用，而且还探讨了在致密等离同中微子的相互作用，而且还探讨了在致密等离子体中，中微子振荡有可能引起这种相互作用的

27、子体中，中微子振荡有可能引起这种相互作用的增强。但上述中微子流仍然无法产生如此强大的增强。但上述中微子流仍然无法产生如此强大的冲压。也就是说，即使中微子延迟爆发机制，迄冲压。也就是说，即使中微子延迟爆发机制，迄今在理论上人们也仍然无法自洽地实现超新星的今在理论上人们也仍然无法自洽地实现超新星的爆发。爆发。( (向外爆发总动能达到向外爆发总动能达到 10104949 erg erg 以上以上) )最近关于核心坍缩型超新星爆发的争论最近关于核心坍缩型超新星爆发的争论Burasetal.,2003,Phys.Rev.Lett.,90No.24,241101“ImprovedModelsofStell

28、arCoreCollapseandStillNoExplosions:WhatisMissing?”M.Liebendrfer,2004,arXiv:astro-ph/0405029“Fifty-NineReasonsforasupernovatonotExplode”Motizuki,MadokoroandShimizu,arXiv:astro-ph/0406303“Core-CollapseSupernovaeInducedByAnisotropicNeutrinoRadiation”“Prolateexplosionscausedbygloballyanisotropicneutrino

29、radiationisthemosteffectivemechanismofincreasingenergywhenthetotalneutrinoluminosityisgiven”.关健问题在于关健问题在于:各向异性的中微子辐射的起因各向异性的中微子辐射的起因?作者猜测作者猜测:超新星的前身星可能是快速旋转的超新星的前身星可能是快速旋转的大质量大质量OB星星(Be星星:P1day,V(R)200km/s)?但是，但是，M(10-25)M 范围内的范围内的Be星星的诞生率远比超新星爆发频率要低的诞生率远比超新星爆发频率要低7个量级。个量级。作者还猜测作者还猜测,中微子辐射的非各向同性也可能来

30、自强磁场下新生中中微子辐射的非各向同性也可能来自强磁场下新生中子星吸积的不对称性或新生中子星内部对流引起的子星吸积的不对称性或新生中子星内部对流引起的?结论结论:超新星爆发的机制仍然是谜超新星爆发的机制仍然是谜?III我对超新星爆发机制我对超新星爆发机制的的新观点与新建议新观点与新建议(NuclerPhysicsA738(2004)515-518)现有流行观念现有流行观念:SN核心快速坍缩的开始时刻是由广义相对核心快速坍缩的开始时刻是由广义相对论效应决定论效应决定,判据为判据为 Mch Mcore(Fe)(Mch Ye2 , 随着电子俘获过程的大量进行，随着电子俘获过程的大量进行，Ye ,因而

31、因而Mch )。关键在于关键在于:一旦上述条件达到，整个铁核心都一旦上述条件达到，整个铁核心都进入快速坍缩阶段，其结果是进入快速坍缩阶段，其结果是:Mcore(Fe) 太大，使得瞬时太大，使得瞬时爆发机制失效。爆发机制失效。我的观念我的观念:(NuclerPhysicsA738(2004)515-518)大大质质量量恒恒星星核核心心大大规规模模快快速速坍坍缩缩的的临临界界点点的的判判据据应应修修改改为为: :星体核心内原子核星体核心内原子核5656NiNi上电子俘获过程非常迅速，其特征上电子俘获过程非常迅速，其特征时标短于流体动力学时标时标短于流体动力学时标: :超新星核心坍缩与爆发图象的新建

32、议超新星核心坍缩与爆发图象的新建议A)核心坍缩图像的关键性改变核心坍缩图像的关键性改变:上述快速坍缩判据把坍缩中的超新星铁核心划分为快速坍上述快速坍缩判据把坍缩中的超新星铁核心划分为快速坍缩核心和较为缓慢收缩的外核心。满足上述判据的快速坍缩核心和较为缓慢收缩的外核心。满足上述判据的快速坍缩核心并不是整个铁核心，只是它的一部分缩核心并不是整个铁核心，只是它的一部分(中心部分中心部分)。因而，快速坍缩的铁核心质量明显小于整个铁核心质量。因而，快速坍缩的铁核心质量明显小于整个铁核心质量。外铁核心也向内收缩，但其坍缩速度远低于快速坍缩的铁外铁核心也向内收缩，但其坍缩速度远低于快速坍缩的铁核心的坍缩速度

33、。核心的坍缩速度。推断推断:在快速坍缩的铁核心与较为缓慢收缩的外核心之间在快速坍缩的铁核心与较为缓慢收缩的外核心之间存在一个存在一个“真空区真空区”,其物质密度远远低于内、外两侧。其物质密度远远低于内、外两侧。B)反弹激波冲出坍缩核心反弹激波冲出坍缩核心由于快速坍缩铁核心质量明显小于整个铁核心质量由于快速坍缩铁核心质量明显小于整个铁核心质量,因而因而瞬时爆发机制成功的条件瞬时爆发机制成功的条件M外核心外核心1052erg/s,中微子的平均能量约为中微子的平均能量约为10MeV。这个中微子流实际上可以追上外行反弹激波。这个中微子流实际上可以追上外行反弹激波C)外行激波与中微子流的真空膨胀阶段外行

34、激波与中微子流的真空膨胀阶段在真空区，向外行进的激波中的辐射场以及中微子辐射流在真空区，向外行进的激波中的辐射场以及中微子辐射流都经历都经历“真空膨胀真空膨胀”过程，其中，它们的总能量分别过程，其中，它们的总能量分别保持常数保持常数:Etot=aT4(4/3)R3=const.因此，因此，中微子流中的中微子、激波中的光子平均能量降中微子流中的中微子、激波中的光子平均能量降低规律为低规律为kT(Ri/Rf)3/4(kTi);Ti1011K,(Ri/Rf)1/20,Tf1011K,kTf1MeV激波波阵面后的热光子、中微子流中的中微子的平均能量激波波阵面后的热光子、中微子流中的中微子的平均能量降到

35、降到1MeV以下，不能击碎铁原子核以下，不能击碎铁原子核(即不会发生光致裂即不会发生光致裂变反应和中微子诱导核裂变反应变反应和中微子诱导核裂变反应)。但是，凭着辐射压。但是，凭着辐射压及中微子同铁原子核之间的相干散射产生的冲压，将整及中微子同铁原子核之间的相干散射产生的冲压，将整个星体外层个星体外层(包括铁核心的外层、星幔和大气包层包括铁核心的外层、星幔和大气包层)急剧急剧地吹爆，形成超新星爆发。地吹爆，形成超新星爆发。D)超新星的爆发超新星的爆发中微子在原子核上的相干散射截面为中微子在原子核上的相干散射截面为 1.610-44(sinW)4A2(E/MeV)2cm2W:Weinberg角角A

36、:原子核的原子量原子核的原子量凭借辐射压及中微子同铁原子核之间的相干散射凭借辐射压及中微子同铁原子核之间的相干散射产生的冲压，将整个星体外层产生的冲压，将整个星体外层(包括铁核心的外层包括铁核心的外层星幔和大气包层星幔和大气包层)急剧地吹爆，形成超新星爆发急剧地吹爆，形成超新星爆发(Q.-H.Peng,2004,NuclearPhysicsA738,515)我们正在组织具体的数值模拟计算，初步的计算我们正在组织具体的数值模拟计算，初步的计算表明，按这种模式，超新星的确能够爆发。表明，按这种模式，超新星的确能够爆发。I.高速中子星的物理本质高速中子星的物理本质（我的新模型（我的新模型,2003）

37、高速中子星高速中子星问问题题94颗颗高高速速脉冲脉冲(单单)星的空间速度分布星的空间速度分布V(km/s)脉冲星数脉冲星数所占百分比所占百分比100713/43003638%5001415%100055%约约10%的的高速脉冲星高速脉冲星v8001000km/s!为什么为什么?前身星前身星(大质量主序星大质量主序星):v(2050)km/s超超新新星星不对称的爆发或发射不对称的爆发或发射(辐射或中微子辐射或中微子)导致非常巨导致非常巨大的大的“kick”?迄今四大类模型迄今四大类模型(包括利用中微子振荡理论包括利用中微子振荡理论,大多要求大多要求1015-1016高斯的超强磁场高斯的超强磁场)

38、，均未成功。这是，均未成功。这是35年来脉年来脉冲星研究中尚未解决的重大疑难问题之一。冲星研究中尚未解决的重大疑难问题之一。NSV(超流涡旋中子体超流涡旋中子体)中微子喷流火箭模型中微子喷流火箭模型( (彭秋和彭秋和, 2003, , 2003, 在在2525屆屆IAUIAU大会中大会中 “ “年轻脉冲星年轻脉冲星” ”会议上的口头报会议上的口头报告告) )模型的基础模型的基础: 1980-1982: 1980-1982年间，彭秋和等人曾提出年间，彭秋和等人曾提出新生中子星内处新生中子星内处于超流于超流( (高量子态高量子态) )涡旋运动的中子体系会不断发射中微子。这种效涡旋运动的中子体系会不

39、断发射中微子。这种效应不仅会使中子星自转减慢应不仅会使中子星自转减慢( (PengPeng et al. 1982; et al. 1982;支持我们理论的文献见支持我们理论的文献见Malov,2001Malov,2001) )。从此出发，我们进一步提出，由于中微子的左旋不对。从此出发，我们进一步提出，由于中微子的左旋不对称性质，中微子喷流的反冲导致了新生脉冲星的加速。其主要结果称性质，中微子喷流的反冲导致了新生脉冲星的加速。其主要结果: : 加速时标加速时标: : 200-300 years200-300 years 中子星能够达到的最大速度同它的初始周期紧密相关中子星能够达到的最大速度同它

40、的初始周期紧密相关 V Vmaxmax 1000 km/s 1000 km/s 当当 P P0 0 0.7 ms 100 km/s 100 km/s 当当 P P0 0 (2-3)ms 2500 km/s 2500 km/s 当当 P P0 0 0.4ms 0.4ms 加速方向沿中子星自转轴方问，加速方向沿中子星自转轴方问，Crab PSR Crab PSR 和和 Vela PSRVela PSR的观测的观测 正好同模型预言相一致。正好同模型预言相一致。 中子星的加速曲线中子星的加速曲线P/P0.脉冲星脉冲星Glich的本质的本质（我的新模型（我的新模型,2004）年轻脉冲星的年轻脉冲星的Gl

41、itch现象现象脉冲周期平稳地增长背景上偶然地脉冲周期会突然变短脉冲周期平稳地增长背景上偶然地脉冲周期会突然变短(周期变周期变化幅度为化幅度为10-6-10-10),随后较之前更迅速地变慢，持续直到恢复过去随后较之前更迅速地变慢，持续直到恢复过去的的周期增长率。这种现象称为周期增长率。这种现象称为Glitch现象。现象。VelaPRS和和CrabPSR,3-4年出现一次。年出现一次。后来陆续发现更多的脉冲星出现微后来陆续发现更多的脉冲星出现微Glitch现象现象(周期变短幅度低于周期变短幅度低于10-12)。迄今己观测到。迄今己观测到19颗颗Glitch脉冲星。其中，脉冲星。其中，VelaPS

42、R已呈现已呈现11次次glitch现象，现象，PSR1737-30呈现了呈现了9次次glitch现象。现象。glitchPtGlitch:脉冲周期脉冲周期突然变短现象突然变短现象脉冲星脉冲星Glitch物理原因的研究物理原因的研究1.星震模型星震模型(Baym,1969);2.核核(心心)震模型震模型(Pinesetal.,1972);3.超流涡丝随机滑动模型超流涡丝随机滑动模型(AndersonandRuderman,1984);4.中子超流中子超流涡丝-质子超子超导磁通管扭磁通管扭缠模型模型(Ruderman,ZhuandChen,1998)迄今均未成功。迄今均未成功。这是脉冲星这是脉冲星

43、这是脉冲星这是脉冲星( (中子星中子星中子星中子星) )自发现自发现自发现自发现(1967)(1967)以来尚未解决的重大疑难问题以来尚未解决的重大疑难问题以来尚未解决的重大疑难问题以来尚未解决的重大疑难问题之一。之一。之一。之一。我们相应的研究工作我们相应的研究工作我们相应的研究工作我们相应的研究工作: : 各向异性的中子超流涡旋的磁偶极辐射各向异性的中子超流涡旋的磁偶极辐射各向异性的中子超流涡旋的磁偶极辐射各向异性的中子超流涡旋的磁偶极辐射 中子星的加热机制中子星的加热机制中子星的加热机制中子星的加热机制 ( (PengPeng,Huang&Huang,1980;Huang,Huang&H

44、uang,1980;Huang,LingenfelterLingenfelter, ,PengPengandHuang,1982)andHuang,1982) 原理原理原理原理: :3 3P P2 2 中子中子中子中子CooperCooper对具有磁矩对具有磁矩对具有磁矩对具有磁矩, ,在回旋运动中它产生在回旋运动中它产生在回旋运动中它产生在回旋运动中它产生(x-(x-射线射线射线射线) )辐射。被中子星物质吸收而使中子星加热。辐射。被中子星物质吸收而使中子星加热。辐射。被中子星物质吸收而使中子星加热。辐射。被中子星物质吸收而使中子星加热。彭秋和彭秋和,2004,“脉冲星周期突脉冲星周期突变的

45、的3P2中子超流中子超流涡旋相振旋相振荡模型模型”GlichGlich现现象的物理原因象的物理原因象的物理原因象的物理原因 3 3P P2 2中子超流状态的相变温度中子超流状态的相变温度中子超流状态的相变温度中子超流状态的相变温度: : kT= n(3P2 ) 0.05 MeV, T T 5.85.810108 8KK: :随着中子星的冷却，随着中子星的冷却，随着中子星的冷却，随着中子星的冷却，T T, ,当当当当 T=T=T T 时时时时, , 正常中子流体相正常中子流体相3P2中子超流涡旋态的相变中子超流涡旋态的相变3P2 中子超流涡旋的磁偶极辐射中子超流涡旋的磁偶极辐射中子超流涡旋的磁偶

46、极辐射中子超流涡旋的磁偶极辐射产生产生产生产生(x-(x-射线射线射线射线) )辐射。被中子星物辐射。被中子星物辐射。被中子星物辐射。被中子星物质质质质吸收而使中子星加热。吸收而使中子星加热。吸收而使中子星加热。吸收而使中子星加热。对年轻脉冲星，超流涡旋量子数很高，磁偶极辐射很强，使中子星对年轻脉冲星，超流涡旋量子数很高，磁偶极辐射很强，使中子星对年轻脉冲星，超流涡旋量子数很高，磁偶极辐射很强，使中子星对年轻脉冲星，超流涡旋量子数很高，磁偶极辐射很强，使中子星加热率超过中子星的冷却率，反而使温度上升。加热率超过中子星的冷却率，反而使温度上升。加热率超过中子星的冷却率，反而使温度上升。加热率超过

47、中子星的冷却率，反而使温度上升。一旦温度回升到一旦温度回升到一旦温度回升到一旦温度回升到 TTTT 时时时时, ,则则则则3P2中子超流涡旋态立即消失。中子超流涡旋态立即消失。3P2中子超流涡旋态中子超流涡旋态正常中子流体相正常中子流体相一旦中子超流相返回正常中子流体相之后一旦中子超流相返回正常中子流体相之后,内部快速旋转的整个中内部快速旋转的整个中子流体系统将通过较强的耦合作用带动外部慢速旋转的壳层使它子流体系统将通过较强的耦合作用带动外部慢速旋转的壳层使它突然加快旋转导致了中子星整体磁球突然加快旋转导致了中子星整体磁球(包括壳层包括壳层)的转动突然加快，的转动突然加快，呈现出呈现出Glit

48、ch现象。现象。年轻脉冲星的多次反复年轻脉冲星的多次反复Glitch的原因的原因上上述述相相变变振荡振荡过程过程及及其其相相关关物物理理过过程程反复发生与出现反复发生与出现:3P2NSV产产生生磁磁偶偶极极辐辐射射(X-ray)加热中子星内部加热中子星内部温度上升达到相变温度温度上升达到相变温度T(3P2(n) 从从3P2中中子子超超流流状状态态经经历历突突然然相相变变返回正常中子返回正常中子(Fermi)状态状态Glitch(由于某些冷却物理由于某些冷却物理过程程)温度下降温度下降在非常短的在非常短的时间间隔内温度下降到隔内温度下降到相变温度相变温度T(3P2(n)以下以下再次相变到再次相变

49、到3P2SNV由于上述相变反复由于上述相变反复3P2NSV态态正常中子正常中子(Fermi)流体流体 3P2NSV的时间间隔的时间间隔t非非常短，而且贮藏在短暂过渡的中子经典湍流涡旋常短，而且贮藏在短暂过渡的中子经典湍流涡旋状态中的角动量仍然非常高，因而下一次状态中的角动量仍然非常高，因而下一次3P2NSV的的涡涡旋旋量量子子数数n2(3P2(n),也很高，但它低于上一次也很高，但它低于上一次3P2NSV的的涡涡旋旋量量子子数数:n2(3P2(n) 0.7s的脉冲星没有探测到的脉冲星没有探测到Glitch。在上述相振荡过程中，经典中子湍流涡旋状态同中子超流涡旋态的在上述相振荡过程中，经典中子湍

50、流涡旋状态同中子超流涡旋态的相互转变过程中，每一个经典湍流涡旋同某个超流量子涡旋的相互相互转变过程中，每一个经典湍流涡旋同某个超流量子涡旋的相互转化却是随机进行的。因此，相继两次转化却是随机进行的。因此，相继两次Glitch的幅度与时间间隔并的幅度与时间间隔并不存在严格的规律或遵循周期或准周期关系。但是可以推断，在多不存在严格的规律或遵循周期或准周期关系。但是可以推断，在多次次glitch之后，相继两次之后，相继两次Glitch的时间间隔会逐渐变长、的时间间隔会逐渐变长、Glitch的幅的幅度也会出现下降的趋势。度也会出现下降的趋势。VI.星际星际26Al天体起源问题天体起源问题（我的观点（我

51、的观点,1992）星际星际26Al天体起源问题天体起源问题1982-1984,空间卫星探测到较强的、源自星际空间卫星探测到较强的、源自星际26Al衰变衰变(电子俘获电子俘获)的宇宙的宇宙-射射线流，由此估算存在于流，由此估算存在于银河系星河系星际空空间中的放射性元中的放射性元素素26Al( 1/27.2105年年)的的总量量约为2M 。不断提供不断提供这种星种星际放射性元素放射性元素 26Al的天体源泉是什么类型天体的天体源泉是什么类型天体?曾是曾是20世纪最后世纪最后15年内国际关注的重大疑难问题之一。年内国际关注的重大疑难问题之一。国际理论界倾向于星际国际理论界倾向于星际26Al来自来自I

52、I型超新星，新星，型超新星，新星，WR星和大质量星和大质量主序星各种模型。主序星各种模型。(26Al核合成途径通过核合成途径通过rp过程中的过程中的Mg-Al循环循环)但是，但是，从核物理实验进展来重新审查，都存在着严重的矛盾从核物理实验进展来重新审查，都存在着严重的矛盾:Mg-Al循环关键的核反应分支比循环关键的核反应分支比按通常原理按通常原理,以前错误推断为以前错误推断为10-4,1988年实验发现为年实验发现为104,相差相差8个个量级。由此断量级。由此断定定,新星、新星、WR星和大质量主序星不可能是星际星和大质量主序星不可能是星际26Al的主要源泉天体的主要源泉天体(彭秋和，彭秋和，1

53、995)。产生星际产生星际26Al的的SNIa模型模型1995年卫星探测结果年卫星探测结果有利于来自于超新星。在理论上，仍呈现合成有利于来自于超新星。在理论上，仍呈现合成过多的过多的27Al和和44Ti的矛盾。的矛盾。1992年彭秋和曾提出过一种与国际采用的年彭秋和曾提出过一种与国际采用的rp过程不同的核合成途径过程不同的核合成途径:并提出相应的并提出相应的SNIa型超新星抛射星际型超新星抛射星际26Al的模型。的模型。最近，北京原子能研究院姜山研究小组赴日本进行核物理实验，证最近，北京原子能研究院姜山研究小组赴日本进行核物理实验，证实了上述产生实了上述产生26Al的预言，他们己在北京建立了相

54、应的设备，进一的预言，他们己在北京建立了相应的设备，进一步研究这个核反应。步研究这个核反应。我们正在进一步合作研究我们正在进一步合作研究(SNIa、SNII模型模型)。同时，同时，1992年彭秋和同上海原子核研究所合作，对碳年彭秋和同上海原子核研究所合作，对碳,氧核燃烧氧核燃烧(晚晚期大质量恒星关键的两个核反应期大质量恒星关键的两个核反应)(12C+12C和和16O+16O)的的核反应率核反应率进行了研究，我们发现目前国际上迄今仍采用的这两个热核反应率进行了研究，我们发现目前国际上迄今仍采用的这两个热核反应率仍然是七十年代以前的外推估计值，它们分别高估了仍然是七十年代以前的外推估计值，它们分别

55、高估了(3-4)和和(7-10)倍倍何建华、杨锦睛、彭秋和何建华、杨锦睛、彭秋和,1992。这个结果必定对大质量恒星。这个结果必定对大质量恒星演演化和超新星理论有重要影响。近年国际上也怀疑这些核反应率。化和超新星理论有重要影响。近年国际上也怀疑这些核反应率。20Na0.446s 18Ne1.675s 19Ne17.3s18F109.8m 17F64.5s 20Ne15O122s 19F 16O 17O 18O 15N14O70.6s 14N13N9.96m13C12CVII.极端超高能宇宙线极端超高能宇宙线(UHECR)的的天体起源问题天体起源问题（我的模型（我的模型,2002） 2.75 2

56、.75 2.75 2.75 3.1 3.1 3.1 3.1“GZK截断截断(cutoff)”(Greisen-Zatsepin-Kuzmin,1966)由于由于- -产生过程产生过程宇宙射线宇宙射线(CR)中中,高能高能(EEcut)的的质子质子将严重地损失将严重地损失能量能量,使得高能宇宙射线的传播距离使得高能宇宙射线的传播距离D 50Mpc 因此，因此，GZK断言，断言，宇宙射线中宇宙射线中不会出现能量高于不会出现能量高于Ecut的的超高能粒子超高能粒子(质子质子)。但是，观测并未呈现但是，观测并未呈现GZK 截断。不仅如此，观测截断。不仅如此，观测发现，发现，E1020eV 的的UHEC

57、R的流量仍然相当高。的流量仍然相当高。极端超高能宇宙线的能量与流量极端超高能宇宙线的能量与流量 E(eV)1019410191020N(E)581 57 8(Exposure:m2 s sr(AGASA记录记录,到到2000年年5月月)N(E)24,E1020eV(直到直到31020eV)(P.L.Biermann(2001)最高的两次超高能事件为最高的两次超高能事件为:3.21020eV(由由FlysEye探测到探测到)2.11020eV(由由AGASA探测到探测到) 流量流量:F(E1020eV)1particle(km)-2(100yr)-1(1-3)10-20particlescm-2

58、sec-1410-30GeV-1cm-2sec-1 极端超高能宇宙线的天体起源是当前最令人迷茫的极端超高能宇宙线的天体起源是当前最令人迷茫的理论课题之一理论课题之一已经提出的超高能宇宙线天体起源模型大致有已经提出的超高能宇宙线天体起源模型大致有:a)ISM-SN模型模型:超新星爆发抛射的能量较高的带电粒子在星际介质中被加超新星爆发抛射的能量较高的带电粒子在星际介质中被加速。粒子可加速到速。粒子可加速到100ZTeV(TeV=1012eV)b)wind-SN模型模型:超新星爆发抛射的能量较高的带电粒子注入到该超新星爆发前超新星爆发抛射的能量较高的带电粒子注入到该超新星爆发前的前身星的强大星风中被

59、加速。粒子可加速到的前身星的强大星风中被加速。粒子可加速到100ZPeV以上。以上。(PeV=1015eV)它可能对直到它可能对直到31018eV的各种能量的高能宇宙线都有重要贡献。的各种能量的高能宇宙线都有重要贡献。具体加速机制为具体加速机制为Fermi加速加速,激波加速和等离子体湍动加速的联合作用。激波加速和等离子体湍动加速的联合作用。c)射电星系的热斑模型射电星系的热斑模型:(Hillas,A.M.,Ann.Rev.Astron.Astrophys.22(1984)425;Biermann,P.L.&Strittmatter,P.A.,ApJ.,322(1987)643)问题问题:距银河

60、系距银河系50Mpc以内的有效射电星系仅有以内的有效射电星系仅有M87一个星系，难以说明一个星系，难以说明极端超极端超高能宇宙线基本各向同性的分布。高能宇宙线基本各向同性的分布。为此，作者假定该射电星系的磁场达为此，作者假定该射电星系的磁场达10-2gauss,高于通常射电星系磁场强度估计值的高于通常射电星系磁场强度估计值的103倍，难以接受。倍，难以接受。d)新生毫秒脉冲星新生毫秒脉冲星(高速旋转、强磁场高速旋转、强磁场)的高速星风被磁重联方式的高速星风被磁重联方式(类似于太阳耀类似于太阳耀斑斑)加速加速(Blasietal.,2000) e)铁质小行星同中子星碰撞模型铁质小行星同中子星碰撞

61、模型(C.LitwinandR.Rosner,2001) 以上都是以上都是Bottom-Up模型模型 粒子物理学模型粒子物理学模型Top-Down模型模型宇宙早期对称性破缺产生宇宙早期对称性破缺产生topologicaldefects,superheavyrelicparticles,这些粒子的衰变产生高能粒这些粒子的衰变产生高能粒子。子。致命缺点致命缺点:流量太低流量太低,而且而且,不确定因素太多。不确定因素太多。高速旋转的含磁单极超巨型天体的加速机制高速旋转的含磁单极超巨型天体的加速机制(Peng,2002)利用大统一理论下磁单极可催化核子衰变、产生高能正电子、利用大统一理论下磁单极可催化

62、核子衰变、产生高能正电子、介子介子等。随星体高速旋转的磁场产生感应电场，它使正、负电子等。随星体高速旋转的磁场产生感应电场，它使正、负电子加速到非常高能量，再通过一系列粒子物理过程，产生高能质子。加速到非常高能量，再通过一系列粒子物理过程，产生高能质子。在上述感应电场作用下、继续加速到在上述感应电场作用下、继续加速到1020eV以上。以上。这种模型下极端超高能宇宙线的流量可以符合观测。这种模型下极端超高能宇宙线的流量可以符合观测。 A toy model ( A toy model (磁单极难以实验验证磁单极难以实验验证) )VIII.太阳中微子问题与中微子振荡太阳中微子问题与中微子振荡太阳中

63、微子问题太阳中微子问题源反应源反应 简称简称 中微子能量中微子能量E(MeV)性质性质极大能量极大能量平均能量平均能量 中微子流量中微子流量(理论预言理论预言)(在地球处每秒穿过在地球处每秒穿过1米米2面积的太阳中微子数目面积的太阳中微子数目) 1H + 1H 2D + e+ + e低能低能(pp) 连续连续0.4200.2655.9510147Be +e- 7Li + e 中能中能(7Be) 分立分立0.86(90%)0.38(10%)4.7710138B 8Be+ e+ e 高能高能(8B) 连续连续147.25.0510101968年年,Davis公布太阳中微子首次探测结果，发现实测中微

64、子流量公布太阳中微子首次探测结果，发现实测中微子流量只有理论预言值的只有理论预言值的1/3。此后。此后30多年多年,太阳中微子问题成为全世界最太阳中微子问题成为全世界最为关注的重大科学疑难问题之一。为关注的重大科学疑难问题之一。2001年年6月，月，SNO和和S-K联合探联合探测实验公布，才以测实验公布，才以“中微子振荡中微子振荡”肯定性实验解决太阳中微子问题。肯定性实验解决太阳中微子问题。各种探测器探测结果:太阳中微子部分消失靶靶实验实验探测值探测值/理论值理论值探测器能阈探测器能阈值值(MeV)ClHomestake0.330.060.814(7Be)+(8B)GaSAGE0.590.07

65、0.233(pp)+(7Be)+(8B)GaGALLEX+GNO0.580.070.233(pp)+(7Be)+(8B)H2OKamiokande0.550.086.5(8B)H2OSuper-K0.480.025.0(8B)D2OSNO(初测初测)0.350.031.442(8B)SNO(太阳中微子探测站太阳中微子探测站)关键性实验关键性实验SNO(8B高能中微子高能中微子):S-K(8B高能中微子高能中微子): 2001年年6月公布实验结果月公布实验结果:探测实验至少表明了探测实验至少表明了:电子型的高能电子型的高能8B中微子在穿越太阳内部物质中微子在穿越太阳内部物质和日地空间的飞行过程中确实有一部分转化为和日地空间的飞行过程中确实有一部分转化为中微子或中微子或中微中微子。即中微子振荡现象确实存在。太阳中微子问题在原则上解决。子。即中微子振荡现象确实存在。太阳中微子问题在原则上解决。SNO 测量测量 太阳太阳 8B 中微子的工作原理中微子的工作原理探测结果:10+6cm -2 s-1测得的电子中微子、中微子、中微子流量为10+6cm-2 s-1计入了中性流弱作用之后，SNO测量的 8B中微子 总流量同标准模型的预言值 5.051.0 106 cm-2 s-1 非常一致Ahmad et al. Phys. Rev. Lett.89 (2002) 011302谢谢大家谢谢大家