探究黑洞类星体湮灭弹及暗物质的关联性问题

左茂雄

摘 要：本文从黑洞精细结构着手，研究霍金辐射修正、黑洞内核中子星结构及磁场形成、类星体临界质量、质子湮灭弹及暗物质等重大关联性问题，给出相关的理论模型。

关键词：黑洞精细结构;霍金辐射;黑洞磁场;类星体临界质量;质子湮灭弹;暗物质

中图分类号：O412.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）18-0217-02

本文从作者本人前发论文《黑洞精细结构探究》中，继续深入研究，提出与黑洞关联的若干重大问题，主要论点如下：

1 黑洞精细结构

黑洞有固定的中子星内核，半径33.3km，动质量约22.55M太，自转周期0.69ms，赤道线速度为c;外部是光障区，有以真空光速c自旋的质子流、电子流和光子流，这里的光障区内层基于GMm/r2=mc2/r，再外部是占史瓦西半径一半的高真空区，这里几乎没有光子;再外部就是史瓦西球型的外部的吸积盘。

有三个科学数据证实了我构建的黑洞模型是成功的。

（1）大约10年前有外国天文学家观测到黑洞最小半径约33.3km，其实是最小黑洞的纯中子星内核，无光障区。（2）大约在2014年科学家观测到黑洞边缘的自转线速度是29.8万km/s。 （3）2019年7月10日左右的最新黑洞观测数据是黑洞吸积盘内边缘的线速度是0.7c，我发现的理论推出是0.707c。再由黑洞光障区的开放性看，黑洞精细结构模型也根本没有问题，完全能够解释超大星系级黑洞或类星体中心黑洞形成问题。

2 霍金辐射

1975年33岁的英国著名物理学家霍金基本完成了黑洞霍金辐射论文，后来自己做了多次修正。霍金辐射公式T=hc3/（8πkGM），因为黑洞的光障区是相对稳定的，所以光障区没有辐射，公式中的M并非是黑洞的质量，这个M是指它的内核中子星的质量。取M中=4.485×1031kg，h=6.6261×10-34Js，c=2.9979×108m/s，π=3.1416，k=1.3807×10-23J/K，G=6.6741×10-11Nm2/kg2，可以计算得出黑洞内核中子星温度为T=1.7189×10-8K。由维恩位移定律λmT=2898μmK，代入解得λm=168596m，νm=1778Hz。

3 黑洞内核中子星结构及磁场的形成

按照已有的中子星研究理论，中子星有三个分层分布：较薄的外铁壳、由电子质子中子组成的较厚的液体海洋圈流、由中子重子等组成的固体内球核。中子质子等有自旋，有磁矩，中子星高速自转，液体海洋圈流形成更强的磁场，外铁壳被磁化成稳定的超强磁星。如果有光障区的的粒子流因为斜碰等导致其速度低于光速，就会被吸入黑洞中子星内核中，在此过程中中子星也会通过磁场两极的辐射锥向外抛洒高能的伽马宇宙射线、高能质子流和高能电子流。

4 类星体临界质量

类星体应该存在一个最小临界质量的，只有光障区足够的大，才可能支撑在光障区内发生粒子碰撞后坠入中子星内核释放足够的引力势能，在此过程中可能有湮灭反应发生，从中子星内核辐射锥区域放出足够强大的宇宙射线。

如果类星体临界质量是天文学家获取的M=108M太，M太= 1.9891×1030kg，G=6.6741×10-11Nm2/kg2，c=2.9979×108m/s，这里的质量没有考虑类星体黑洞吸积盘部分，仅仅是中心超大黑洞部分，那么对应史瓦西半径Rs=2GM/c2= 2.9542×1011m。而黑洞光障区是分层分布的，从光障区外边缘有粒子墜入内核中子星上，可以用积分的办法处理其释放的引力势能，确定在光障区内正反粒子湮灭的能量域限，问题即可解决。

我们认为斥力为正，引力为负。我们先做模型简化处理，认为是一个速度为零的质子简单由黑洞光障区边缘坠入黑洞内核中子星表面，并且把m0视为是质子的静质量，这样可以使问题研究明显简化，并且可以忽略湮灭后高能伽马光子流从黑洞辐射锥逃跑过程中受到黑洞万有引力的约束。

E=W=∫rR（-GMm0/r2）dr=-m0∫rR（G·rc2/G·1/r2）dr= -m0c2∫rR1/r·dr=m0c2ln（r/R）

我们取r=Rs/2=1.4771×1011m，R=R中=3.306×104m，经过计算得出单个质子的湮灭临界能量E=15.3124m0c2。我们可以进一步借助爱因斯坦狭义相对论质速公式m=m0（1-v2/c2）-0.5和质能方程E=mc2计算得出单个质子湮灭的临界速度v=0.9979c。事实上在光障区边缘的粒子的环绕速度是真空光速，我们取的简化模型计算并且忽略伽马光子流的辐射逃跑所受到的黑洞万有引力作用的方案也是可行的。

按照湮灭的方式计算，两个正反质子湮灭释放一对光子出来，即2E=2mc2=2×15.3124m0c2=2hv，取质子质量m0=1.6726231×10-27kg，c=2.9979×108m/s，h=6.62606896×10-34Js，e=1.60217656×10-19C。即所产生的单个伽马光子的频率v=3.4739×1024Hz，其能量E=hv=2.3018×10-9J= 1.4367×1010eV。

至于能量高达1020ev的极高能宇宙射线的产生，确实已经超出人类的想象空间。目前已知能量最高的宇宙射线所拥有的能量高达3万亿亿电子伏特，它们的速度极度接近光速，达到了光速的99.99999999999999999999951%。根据分析，它们很有可能是速度极度接近光速的质子，但它们的来源不得而知，因为这种超高能宇宙射线极其罕见。目前为止人类发现的最大黑洞质量约2000亿M太，是科学家发现类星体临界质量的2000倍。类似地计算得出单个质子的湮灭能量E=22.9133m0c2=3.4444×10-9J=2.1499×1010eV，频率v=5.9182×1024Hz。我们可以进一步借助爱因斯坦狭义相对论质速公式m=m0（1-v2/c2）-0.5和质能方程E=mc2计算得出单个质子湮灭的临界速度v=0.99905c。我们可以设想是两个各约2.3×10-12mol的这种质子微团正碰湮灭成一对极高能的伽马光子。这样类星体和宇宙射线问题基本得以解决。

另外在黑洞光障区中本身有分层分布的以真空光速球对称环绕运行的质子流，它们也相当有可能发生正碰湮灭，放出极高能宇宙射线。

5 质子湮灭弹

基于单个质子的湮灭临界能量E=15.3124m0c2和对应的单个质子湮灭的临界速度v=0.9979c。欧洲核子中心的质子加速器已经具备这个加速能力，不过让质子在强磁场中回旋恰好能正碰并发生湮灭难度太大。事实上就要求建造两个相同规格的质子加速器才能进行类似的湮灭实验。

湮灭弹本来核能几乎完全释放，但是为满足反应发生的能量域限条件，必须投入大量能量给质子加速，实际在反应中增加释放的那个能量是原来质子的静能部分E=m0c2，相当于投入14.31产出15.31。不过这个技术在工业革命和军工技术变革方面的影响是深远的，会明显提速人类的文明进程。可以进一步衍生解决人类能源危机问题，使得人类文明很快步入最高等级的文明阶段。当然必须要提前做好工程技术铺垫以及工作人员所受到的宇宙射线辐射的防护等安全问题。

6 暗物质

6.1 黑洞结构

我们已经确定黑洞的内部结构是存在内核中子星、光障区、高真空区，外部是吸积盘。内部的光障区的粒子环流是真空光速绕行，基于很多科学家研究星系运动外部旋转盘内的恒星几乎以恒定速率环绕运动的观测事实，我们可以大胆做出以下假设：

（1）黑洞外部的吸积盘区域存在次光障区，所有粒子流均以0.707c分层环绕运动，可见的部分是吸积盘，不可见的部分是重子，这些粒子流是以球对称的方式环绕分布的，这个区域也是开放的。（2）黑洞内部光障区和外部吸积盘次光障区的粒子流（主要是质子、氦核、电子、中微子、光子和重子等）以及星系间广泛存在的弥漫的氢氣丝状物共同组成了我们宇宙中占据绝大部分的暗物质和对应的暗能量。

6.2 黑洞次光障区

我们设定黑洞质量为M，因为黑洞高真空区没有物质，所以M也是黑洞光障区及内核中子星的总质量。进一步设R中和M中为黑洞内核中子星的半径和质量，Rs是黑洞史瓦西半径，r是轨道半径。在黑洞光障区的的粒子均有GMm/r2=mc2/r。而黑洞史瓦西半径Rs=2GM/c2，可以解出黑洞光障区外边缘半径r=Rs/2。而对于黑洞史瓦西半径外侧的粒子（即黑洞吸积盘内边缘的粒子），我们基于GMm/r2=mv2/r，解出其对应环绕速度v=√2/2c=0.707c。

基于前面文中提出的假设，我们确定黑洞吸积盘对应的球壳区域都存在次光障区，且所有粒子均以v=√2/2c=0.707c的环绕速度运行，几乎球对称分布，而吸积盘的物质以稳定盘状做圆周运动，那些不可见的粒子是重子。

为了简化问题的研究，我们把这个次光障区认为是球对称环绕分布，尽管黑洞吸积盘是受到黑洞磁场约束相对稳定的。对于这个区域的环绕粒子，有GMm/r2=mv2/r，解出粒子轨道半径r内球型区域的物质动质量M=rv2/G=rc2/（2G），r-（r+dr）球壳区域的密度为ρ=dM/dV=d（rc2/2G）/d（4πr3/3）=（c2dr/2G）/（4πr2dr）=c2/（8πGr2），半径r处内部球体包括黑洞部分的平均密度ρ内=M/（4πr3/3）=3c2/（8πGr2）。如果我们取黑洞吸积盘外边缘半径为r=5Rs，黑洞质量为M黑，M黑=Rsc2/（2G）;而设黑洞吸积盘质量为M吸，则有M黑+ M吸=rv2/G=rc2/（2G）=5Rsc2/（2G）=5·2GM黑/c2·c2/（2G）=5M黑，得出M吸=4M黑。这样如果把我们宇宙简单看成一个特大黑洞模型，那么就会出现黑洞部分占20%的暗能量和暗物质，吸积盘部分的球壳区域占据80%的能量和物质，这里的暗能量约占宇宙质量的50%，暗物质约占宇宙质量的20%大致剩下约5%的明物质就是我们可以看见的那个吸积盘。另外在不同星系间还存在不可见的丝状物氢粒子流。

至此宇宙模型已经构建，暗物质暗能量等问题基本解决。宇宙应该是有无限多个，我们的宇宙的观测半径约465亿光年，事实上我们的宇宙的光障区半径为100亿光年，100亿光年-200亿光年的那个球壳区域是高真空区，没有任何物质，我们的宇宙的半径为1000亿光年，在高真空区只有极少的光子，其外部是吸积盘和对应的次光障区。每个宇宙相对独立。

7 宇宙精细结构模型

7.1 两个科学假设

基于前文分析，我们进行宇宙精细结构模型的推广，就是认为宇宙模型简化满足以下两个假设：

（1）把宇宙模型简化为一个由普通星系构建的接近为无穷大的球状天体，其内部光障区所含质量为星系明物质质量，我们约定为该质量为M=2000-2500亿M太，M太=1.9891× 1030kg，没有包括次光障区里那部分4M的暗物质的质量，黑洞史瓦西半径Rs=2GM/c2。

（2）宇宙分布具有量子化条件，即内核为高速自转的中子星、外侧是光障区v1=c，r1=Rs/2，接着是高真空区（虚空区）;然后是次光障区，v2=√2/2·c=0.707c，r2=5Rs，接着又是高真空区;…;vn=2-（n-1）/2c，rn=10（n-1）Rs/2。即是说在第一级次光障区内这部分为我们看到的那个星系的明物质暗物质和暗能量，以外的区域是从星系内部观察到的具有相对论效应的广袤宇宙。

7.2 宇宙平均密度

对于第n层，我们取其次光障区半径rn=10（n-1）Rs/2及次光障区里的粒子线速度，vn=2-（n-1）/2c，由牛顿定律有GMnm/rn2=mvn2/rn，Rs=2GM/c2，代入解得Mn=5（n-1）M，这里的Mn是第n层次光藏区半径rn内部的所有物质的动质量。而对应的平均密度ρ=Mn/（4πrn3/3）=3c6/〔4πG3M22（n-1）102（n-1）〕。

7.3 对两个假设的验证

对于假设（1），结合我前面的相关文章及其推导以及2019年4月10日发布的全球首张黑洞图片，可以确定是完全正确的。

对于假设（2），借助2019年7月10日科学观测数据黑洞吸积盘内边缘粒子环绕线速度v=0.7c以及数学验算也是成立的。比如我们取黑洞第二级次光障区内边缘质点n=2，r= 2r2=10Rs=20GM/c2;而n=3，v=c/2。由牛顿定律有GM2m/r2 =mv2/r，代入得GM2=rv2=20GM/c2·（c/2）2=5GM，有M2=5M。这与对第一级次光障区外边缘质点n=2，r=r2=5Rs，v2=√2/2·c=0.707c，GM2m/r2=mv12/r，得GM2=5Rsv12= 5·2GM/c2·c2/2=5GM，有M2=5M完全吻合。

7.4 稳定宇宙的主要参数

7.4.1 稳定宇宙的层级数n

我们取宇宙临界密度ρ0=5×10（-27）kg/m3=ρ=3c6/〔4πG3M22（n-1）102（n-1）〕，取M=2000-2500亿M太，M太=1.9891×1030kg，c=2.9979×108m/s，π=3.1416，G=6.6741×10-11 Nm2/kg2，整理方程后两边取自然对数解得n=11.3724～11.2882。取n=12层。实际第12层不完整，每层有一个光障区和虚空区。

7.4.2 稳定宇宙的半径R

基于假设rn=10（n-1）Rs/2，n=11.3724～11.2882，Rs= 2GM/c2，M=2000-2500亿M太，M太=1.9891×1030kg，c= 2.9979×108m/s，G=6.6741×10-11Nm2/kg2，我们代入数据计算出R=6.96～7.17×1024m=7.36～7.58×108光年=7.36 ～7.58亿光年。这明显小于我们观察到的宇宙半径465亿光年，这充分说明我们观察到的宇宙系统中有很多独立的小宇宙。

8 结语

按照上述理论以及相继产生的一系列重要物理理论将会极大地促进我们人类文明的飞速发展与进步。宇宙级问题基本终结！