类星体的形成与本质

钟萃相

【摘 要】类星体的发现是20世纪天文学的重大成就。虽然类星体的发现大大促进了人们对宇宙演化的了解，但仍有许多问题让天文学家感到困惑不解：类星体是恒星还是星系？为什么类星体每秒鐘释放的能量比体型大其几十万甚至千万倍的普通星系每秒钟释放的能量还大上千倍？为什么观察到的类星体都是遥远的星体？类星体的红移是否是宇宙学红移？ 这些问题长期困扰着人们，悬而未决，莫衷一是。幸而，作者近来研究和提出了星系的形成与演进新理论，可用来揭示类星体的形成与本质，很容易地解决上述问题。

【关键词】星系结构；星系形成；黑洞；类星体

中图分类号： P158 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）28-0014-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.005

【Abstract】The discovery of quasars was a great achievement in astronomy in the twentieth century. Although the discovery of quasars has greatly promoted peoples understanding of the evolution of the universe，but there are still many questions that puzzled astronomers： are quasars stars or galaxies？Why the luminosity of the most powerful quasars is thousands of times greater than the luminosity of a large galaxy such as the Milky Way whose size is larger than the quasars by millions of times？ Why the observed quasars are distant objects？If the red-shift of quasars is Hubble red-shift？These problems have long plagued the people in suspense.Fortunately， the author of this paper，through studying the formation and orbit-variation of satellites， planets and stars， has put forward a new theory of galactic structure，therefore revealing the hierarchical structure of galaxies and the existence and characteristics of black holes as the main nodes of galactic structure. Using this new theory，the author can also reveal the formation and essence of quasars， and solve all the problems mentioned above.

【Key words】Galaxies：structure； Galaxies：formation； Stars：black holes； Stars：quasars

20世纪50年代，雷达技术在天文观测中的应用推动了射电天文学的发展，并取得了一系列重大成果，其中类星体的发现尤为令人惊奇。1960年，美国天文文学家艾伦.桑德奇（Allan Sandage）等用光学望远镜发现了一个射电源（后给其标号为3C48），其光学对应体是恒星状天体，周围有很暗的星云状物质，但光谱中呈现出一些恒星光谱中未曾见过的谱线[1]。1962天文学家又发现了另一个射电源（后给其标号为3C273），其光学对应体也是恒星状天体，后来还发现其周围也有星云状物质。1963年施密特根据拍摄的光谱，发现其与3C48的光谱类似，并辨认出光谱中最亮的谱线对应的就是红移后的H元素的发射线，还测得其红移是0.158，即3C273的退行速度是47000km/s[2]。1965年桑德奇还发现了其他一些类星体，它们的光学性质和类星电波源相似，而且都有紧密的结构，极亮的表面及蓝的颜色，但却没有辐射无线电波（或许太微弱，而未被探测到），故被称为蓝星体。不论是“类星射电源”还是“蓝星体”，它们都有共同的特点，即光学图像类似恒星，但光谱显示它们都具有较大红移的银河系外天体，因此被统称为“类星体”。

直到1989年，天文学家在可见光及电波波段的天空搜寻中，发现了数千个类星体。后来通过大型数字巡天，又发现了近30万颗类星体。其中我国天文学家在类星体和活动星系核方面也做了大量研究工作，比如，中国科学院国家天文台陈建生院士与其他学者合作首次得到类星体吸收线光谱中Lya/Lyb的强相关，以及Lya/Lyg强相关的最好结果，从而确证了高红移宇宙空间原始氢云的存在；还与同事合作通过分析类星体吸收线证明了高红移星系的存在，并通过对元素丰度的测定和比较显示出星系化学组成在百亿年内的演化；在国内率先开展类星体物端棱镜巡天，发现上千个类星体候选者。著名专家何香涛教授自上个世纪八十年代起一直从事天体物理学的研究，改进了发现类星体的无缝光谱法，与多国专家合作发现了两千多颗类星体的候选体，已经观测确认的就有一百余颗[3]。2015年03月03日，中国天文学家为主的科研团队又发现了一颗距离地球128亿光年、430万亿倍太阳光度、中心黑洞质量约为120亿个太阳质量的超亮类星体[4]。这是人类目前已观测到的遥远宇宙中发光最亮、中心黑洞质量最大的类星体。

类星体的发现，与宇宙微波背景辐射、脉冲星、星际分子并列为20世纪60年代天文学四大发现。虽然类星体的发现耐人寻味，但它也给人们带来了许多的疑问：类星体是恒星还是星系？类星体的形成与黑洞有什么关系？为什么类星体每秒钟释放的能量比体型大其几十万甚至千万倍的普通星系每秒钟释放的能量还大上千倍？为什么观察到的类星体都是遥远的星体？类星体的红移是否是宇宙学红移？这些问题长期困扰着人们，悬而未决，莫衷一是。幸而，作者近来提出了星系的形成与演进新理论，可用来研究类星体，很容易地解决上述问题。

1 星系结构的形成与演进新理论

1.1 行星系统的形成与演化

根据太阳系的形成规律，一个恒星通常可以衍生多个环绕的行星，其中有些行星又能衍生一些环绕的卫星，从而形成一个恒星带行星的系统[5]。

在行星围绕父恒星旋转的过程中，它们不断地吸积轨道附近的星云物质而变得越来越大，而且随着父恒星不时地收缩从而自转逐渐地加速，这些行星的公转速度也会相应增加，从而使行星向外移动，扩大恒星与行星之间的距离。所以除了靠近父恒星的一些小行星（如太阳系的水星和金星），其他较大行星都有浓密的大气层。在这些行星（如地球）环绕其父恒星旋转的过程中，行星的尾部半球所受的大气压力大于头部半球所受的大气压力，导致行星公转加速，行星扩轨，从而使行星渐渐地沿着螺旋线远离父恒星[6]。

随着行星渐渐地远离父恒星，父恒星对行星的万有引力逐渐变小，从而使行星的自转速度增加，卫星绕行星的公转速度也相应增加，最终使卫星远离行星。另外，随着行星质量的增加，行星核心岩层受压升温，逐渐融化成岩浆；当大量岩浆遇到外部渗入水时，就会被冷却凝固，使行星体积发生收缩，但保持行星原有角动量不变，这就会使行星自转加速，从而使卫星绕行星的公转速度相应增加，最终使卫星远离行星。

1.2 恒星的形成与演化

1.2.1 恒星的伊始—新星（new star）

在行星环绕父恒星运行的过程中，它们不断地吸积轨道附近的星云物质而变得越来越大，并且在其周围形成越来越厚的大气层。当一个行星的质量变得非常巨大，其大气层变得非常浓厚时，热核反应就蓄势待发。由于该巨星大气层的厚度和密度都比地球雷暴云的厚度和密度大得多，因此当该巨星既绕父星高速旋转又绕自身快速自转时，其周围有大量云团相互撞击，引起频繁而猛烈的雷电。强大的雷电势必引起巨星周围浓密大气层和深厚表面的燃烧，从而导致巨星在高温高压环境下启动和维持热核反应，一个新恒星就诞生了[7]。

1.2.2 壮年恒星—主序星（main sequence star）

恒星诞生之后即进入以氢核聚变为主要能源的演化阶段，它不断地吸收轨道附近的星云物质来维持其热核反应。在这个阶段，恒星的向外膨胀力和向内收缩力大致平衡，使恒星处于一个相对稳定的时期，持续时间约占整个寿命的90%以上，称为恒星的主序阶段，是恒星的青壮年期[7]。

1.2.3 中年恒星—红巨星 （red super giant）

恒星在绕星系中心旋转的过程中不断地吸积轨道附近的气体和尘埃及其他星际物质，这些被捕获的物质很难逃脱恒星巨大引力的吸引和浓密大气层的包围。许多轻元素经过恒星的热核反应聚变成重元素，使中心氦球逐渐增大。所以当一个恒星演变到主序星阶段末期时，其质量大增，可达到几倍太阳的质量。随着恒星质量的大增，其引力范围也大大增加，恒星周围的大气层也显著增厚，特别是随着中心氦球的逐渐增大，氢燃烧层也随之向外扩展，使星体外层物质受热膨胀，向红巨星转化[8-9]。

1.2.4 晚年恒星—白矮星（white dwarf）

当恒星演化到晚年时，其质量比早期大得多。恒星质量越大，消耗能源越快，捕获的外界物质越来越难满足其能源需求。特别是晚年的恒星通常具有层次复杂的子星系，包括一些子恒星、行星和卫星，这些子星系不断地围绕着老恒星旋转，争夺老恒星的资源。当老恒星中心区热核反应所需的氢不够时，中心区的热核反应将慢慢停止，致使中心核产生的能量不足以维持辐射压与引力重压的平衡，星体中心区便发生收缩，直到中心引力与核心电子简并压力达到平衡时，收缩才停止，形成白矮星[10]。在晚年恒星收缩为白矮星的过程中，该恒星的转动惯量减少，但保留该恒星的角动量，因此导致该星球的自转速度增加，并引起其下层星球的公转速度增加，使下层星球及其子星系向外移动，这是星系结构扩展的原因之一。

虽然晚年恒星演化成白矮星之后，其上的热核反应基本停止，但其质量比恒星早期有显著增加，其周围的大气层也有增无减。特别是，在晚年恒星收缩为白矮星的过程中，其自转速度大大增加。在白矮星绕父星高速旋转又绕自身快速自转时，其周围有大量云团相互撞击，引起频繁而猛烈的雷电，把白矮星周围点亮，这就是白矮星白的原因。

1.2.5 死而复活—超新星（supernova）

在一個星系的运行过程中，白矮星不断地吸收轨道附近的尘埃、气体及其他星际物质，使其质量逐渐增加，大气层重新变厚。当其表面重新覆盖上一层厚厚的星际物质，且其周围大气层又变得非常浓厚时，热核反应的条件再次成熟。由于该大质量恒星大气层的厚度和密度都比地球雷暴云的厚度和密度大得多，因此当该恒星既绕父星高速旋转又绕自身快速自转时，其周围有大量云团相互撞击，引起频繁而猛烈的雷电。猛烈的雷电就会再次引起超高温高压环境下的热核反应，产生超新星爆发。不过这种超新星爆发会很快地消耗积累起来的大气层和恒星表面层，恒星通过爆炸将一部分表面物质以高速度向外抛散，又将剩余的表面层物质融化并收缩成一个薄薄的壳层。由于超新星在收缩过程中会保留其原有的角动量，使其自转得到加速，引起其子星系的公转加快，推动子星系向外移动。

另外，白矮星还可能遇到过长子星系的撞击而产生超新星爆发[11-12]。

1.2.6 恒星末期—中子星 （neutron star）

在白矮星向大质量恒星演变的过程中，可能要经历多次超新星爆发。每一次超新星爆发都有坍塌同时发生，坍塌作用使核心处的物质压缩得更为密实。当白矮星的质量增加至超越钱德拉塞卡极限（1.4倍太阳的质量）时，特别是遇到巨大天体的撞击时，就会导致一次超新星爆发，星核的引力将大到足以把星核内的原子压缩到使电子和质子结合成中子，使白矮星被压缩成直径只有十几公里、每立方厘米的物质重达十亿吨的中子星。当恒星收缩为中子星后，自转速度大大加快，能达到每秒几圈到几十圈[13]。恒星自转的加速又会引起其子星公转的加速，使下层子星系向外移动，这也是星系结构扩展的原因之一。

1.2.6 恒星终点—黑洞 （black hole）

中子星的质量也不能无限增加，当其质量超过大约3倍太阳质量时，它将坍缩成黑洞。在中子星向大质量恒星演变的过程中，可能要经历多次超新星爆发。每一次超新星爆发都有坍塌同时发生，坍塌作用使核心处的物质压缩得更为密实。另外，恒星的收缩又引起自转的加速和子星公转的加速，使下层子星系向外移动，这也是星系结构扩展的原因之一[14]。

1.3 星系的层次结构及其演化

根据上述行星和恒星系统的形成与演进规律可知，一个恒星可能有其父恒星，它还能产生多个环绕其运行的行星，其中有些行星又能产生一些环绕其旋转的卫星。因此，一个星系通常是由多代星球构成的层次结构，整个宇宙包含许多这样的星系。银河系就是由多代星球组成的复杂层次结构。天文学家玛丽亚·格曼通过对银河系恒星集群盘面的研究发现，银河系内围的恒星集群年龄较大，而外围的恒星较年轻，由此可以推断出银河系的形成从内部开始，后来逐渐演变到10万光年以上的直径。银河系在成长过程中还吞并了许多小星系，来自这些星系的天体汇入了银河系的内部，使银河系内围恒星的质量变得非常巨大[15]。

然而星系结构并不是静止的，而是处于不停地运动和变化之中。一个星系中后代星球总是围绕着前辈星球旋转，即卫星绕行星旋转，行星绕恒星旋转，恒星又绕更上一辈的父星旋转，直到星系中心的子星系绕星系中心旋转。一个星球在绕父星旋转的过程中会不断地吸积轨道附近的星云物质而使质量逐渐增大，并随着父星的不断收缩而逐渐远离父星。这意味着一个第n（n≥1）代星球经过漫长的时间可能衍生出包含多代星球的子星系，空间尺度变得很长，以至于该子星系在绕第n代星球旋转时，其尾部卫星可能进入第n-1代星球的引力视界，最终被第n-1代星球吞并，使第n-1代星球质量和密度大增，如图1所示。不仅如此，当第n代星球的子星系撞击第n-1代星球时会产生巨大的能量，甚至启动热核反应，将陨落到第n-1代星球上的卫星融合成一体。由于第n-1代星球中心的强大引力，新增添的外层物质立即收缩，使该星球的转动惯量减少，但保留该星球原有的角動量，因此导致该星球转速迅速增加，并引起其下层星球的公转速度增加，使下层星球及其子星系向外移动，从而扩大了这两层星球之间的距离。第n代星球的子星系与第n-1代星球的撞击可能多次发生，直到第n代星球与第n-1代星球之间的距离允许第n代星球的子星系通过为止。这也是星系结构扩展的原因之一。

由此可见，一些古老星系经过了漫长的演进，其中有许多高层次星球经过了长时间的积累并遇到过无数次星球撞击，使自身的质量和密度递增过无数多次，最终成为质量和密度都很大的“黑洞”。特别是星系中心的祖星受到星球撞击最早、次数最多，成为质量和密度最大的“黑洞”。星系中心下面或傍边的某些子星也可能经过长时间积累并遇到过无数次天体撞击，成为了比中心“黑洞”质量和密度小一些的“黑洞”。而且随着时间的推移，这些黑洞还会不断地吸积并遇到更多的天体撞击，成为质量越来越大的黑洞。

另外中子星或或黑洞的并合也会产生超大质量黑洞[14]。

正因为黑洞的质量很大，引力很强，使得进入黑洞引力视界而速度低于光速的运行物质都无法逃脱。也因为黑洞的质量很大，引力很强，可以吸引厚度和密度极大的大气层，使得比黑洞质量更小天体发出的光无法穿透黑洞无比浓厚的大气层，正如阳光无法穿透浓厚的云层一样，光线完全被黑洞大气层湮灭。即使发光的天体进入到这个区域，其上的许多气态、液态和固态物质也可能被黑洞立即吞噬，使得该天体的资源不足以维持其发光作用而使光线熄灭，这就出现了“光也无法逃脱”的现象[15-16]。

2 类星体的形成与本质

根据上述黑洞的形成与演进理论可知，黑洞的质量是会逐渐增加的。当一个小质量的黑洞演变成超大质量黑洞时，它对于物体的万有引力极强，完全可以像地球那样通过万有引力来吸收大气粒子（包括分子、原子和尘埃颗粒）而形成自己的大气层。由于超大黑洞的质量远远大于地球的质量，因此环绕超大质量黑洞的星云厚度和密度都比地球上的雷暴云的厚度和密度大得多，类星体发现者也已观测到类星体周围有很暗的星云。当这种黑洞绕着上级父星快速旋转和自转时就会在黑洞周围引起许多巨大云团相互摩擦或碰撞，产生大范围高压放电，发出耀眼的强光，形成强大的射电源，所以人们可以在地球上观察到遥远的类星射电源。由于类星体周围的星云中具有浓密的氢气，在高压电场的激发下大量氢原子发出亮光，使得人们在地球上可以通过分光镜观察到奇特的氢原子光谱，而且由于类星体还绕父星快速旋转，人们观察到的氢原子谱线具有很大的红移，因此类星体的红移动与其他星系的红移一样都属宇宙学红移。这就是类星体，其实质就是覆盖了浓厚星云且快速旋转和自转的超大质量黑洞。

虽然类星体是由黑洞及其环绕星云形成的，但是人们在银河系附近几千万光年范围内并未发现类星体，这说明银河系中心最大黑洞的质量还不足以吸引浓厚星云来使黑洞快速旋转和自转时产生大范围连续性的剧烈雷电。因此，形成类星体的黑洞质量必须远大于银河系中心最大黑洞的质量，这种黑洞应该是超星系团中比银河系中心黑洞层次高得多的黑洞。因此，它离处于银河系底层的地球非常遥远，一般都离地球几十亿甚至几百亿光年。

根据星系中心黑洞与下级子星系中心黑洞的距离公式及星系质量与星系中心黑洞质量的比例关系，可以算出一个距离地球100亿光年的类星体的质量与银河系总质量的比例关系。由于星系是一种层次结构，天文学家发现银河系就是被包含在一个超星系团中的一个子星系，故可设想银河系中心黑洞上面还有多级祖先黑洞。假设从银河系中心黑洞开始往上数直到100亿光年的类星体有n级黑洞，标号为BH1，BH2，…，BHn，它们的质量分别为M1，M2，…，Mn。假设银河系的总质量为m，则银河系中心黑洞的质量M1=0.005m.正如银河系有两个悬臂（即子星系）那样，可假设一般的大星系都有两个悬臂，于是以BH2为中心的星系总质量约为2m，BH2的质量M2=0.005×（2m）=2M1.类似地，可推导M3=2M2=22M1，M4=23M1，…，Mn=2n-1M1。因为银河系的直径为10万光年，所以其半径是5万光年，要使银河系绕中心黑洞BH1旋转时不碰撞BH2，BH2与BH1的距离应该大于等于5万光年，而且有了这个距离之后，在一定时期内这个距离不变，所以BH2与BH1的距离约为5×104光年。类似地，要使以BH2为中心的星系绕BH2旋转时不碰撞BH3，BH3与BH2的距离约为2×5×104光年；BH4与BH3的距离约为22×5×104光年，…，BHn与BHn-1的距离约为2n-2×5×104光年。因为地球处于银河系的底部，离类星体的距离是100亿光年，所以

5×104+5×104+2×5×104+22×5×104+…+2n-2×5×104=1010，

推得2n-1=2×105

于是Mn=2n-1M1=2×105×0.005m=1000m

即距离地球100亿光年的类星体的质量约为银河系总质量的1000多倍，所以这么大质量的黑洞足以吸引极其浓厚的星云，当其快速旋转时产生的雷电及其激发的光具有整个银河系发射能量的上千倍。

3 类星体与星系的联系

由于大多数类星体都是高红移的天体，这意味着它们都在快速地绕其父星旋转。所以每个高红移的类星体通常都具有一些上辈星球。另外，每个类星体都是位于大结构星系中心的超大质量黑洞，一般具有两个旋臂。由于该类星体绕其自身轴快速旋转，它的旋臂或子星系也随着类星体的自转而快速地绕类星体旋转。为了使类星体能绕着其父星旋转且其子星系又能绕着类星体旋转，该类星体与其父星之间的距离应该大于该类星体宿主星系的半径。因此，如果地球与一个类星体的距离是100亿光年，约等于该类星体宿主星系的半径，则该类星体与其父星之间的距离应该大于100亿光年，因此地球与该类星体的父星之间的距离应该大于200亿光年。

4 总结

类星体的发现与宇宙微波背景辐射、脉冲星、星际分子并列为20世纪60年代天文學四大发现。虽然类星体的发现使天文学家产生了极大兴趣，但它带来了许多长期困扰着人们问题。为此，作者重新研究和发现了卫星、行星和恒星的形成和演进规律，提出了科学的星系形成与演进理论，并揭示了星系的层次结构和黑洞作为星系结构主干节点的存在与特性，进而揭示了类星体的形成规律和本质特征。作者发现类星体实质上就是覆盖了浓厚星云且快速旋转和自转的超大质量黑洞，这种黑洞绕着上级父星快速旋转和自转时就会在黑洞周围大范围产生剧烈放电，发出耀眼的强光和强烈的雷鸣，形成强大的射电源和冲击波，所以人们可以在地球上观察到遥远的类星射电源和宇宙微波背景辐射。只有超星系团中比银河系中心黑洞级别高得多因而质量大得多的超级黑洞快速旋转和自转时才能产生大范围强烈雷电，因此，它离处于银河系底层的地球非常遥远，一般都离地球几十亿甚至几百亿光年。距离地球100亿光年的类星体的质量约为银河系总质量的1000多倍，所以这么大质量的黑洞足以吸引极其浓厚的星云，当其快速旋转时产生的雷电达到整个银河系发射能量的上千倍。由于这种类星体绕着上级父星快速旋转和自转，因而类星体的红移就是宇宙学红移。

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