恒星演化就是一顆恒星誕生，成長(zhǎng)成熟到衰老死亡的過(guò)程，恒星演化是是十分緩慢的過(guò)程。天文學(xué)家根據(jù)對(duì)各種各樣的恒星的觀測(cè)和理論研究，弄清楚了恒星的一生是怎樣從孕育到誕生，再?gòu)某砷L(zhǎng)到成熟，最后到衰老、死亡的整個(gè)過(guò)程。恒星演化論，是天文學(xué)中，關(guān)于恒星在其生命期內(nèi)演化的理論。

 簡(jiǎn)介

恒星的生命是十分漫長(zhǎng)的,在其生命的主要階段,演化也是十分緩慢的。根據(jù)放射性元素的測(cè)定，地球的年齡已經(jīng)46億年了。作為恒星的太陽(yáng),年齡當(dāng)然不會(huì)比地球小。像我們?nèi)祟愐粯?，恒星也有各自的年齡，它們中間也有年輕、中年和老年之分。一顆恒星從誕生到死亡，要經(jīng)過(guò)幾百萬(wàn)年甚至上百億年的時(shí)間?，F(xiàn)代天文學(xué)的全部歷史對(duì)于恒星的一生來(lái)說(shuō)，也僅僅是短暫的一瞬間。但是天文學(xué)家根據(jù)對(duì)各種各樣的恒星的觀測(cè)和理論研究，弄清楚了恒星的一生是怎樣從孕育到誕生，再?gòu)某砷L(zhǎng)到成熟，最后到衰老、死亡的整個(gè)過(guò)程。恒星演化論，是天文學(xué)中，關(guān)于恒星在其生命期內(nèi)演化的理論。由于單一恒星之演化通常長(zhǎng)達(dá)數(shù)十億年，人類不可能完整觀測(cè)，目前的理論仍有部分是推測(cè)的假說(shuō)。目前天體物理學(xué)家主要利用觀測(cè)大量恒星，判斷其在生命期的不同階段，并以計(jì)算機(jī)模型模擬恒星的演變。

原因

赫羅圖的發(fā)現(xiàn)

把恒星表面溫度作為橫坐標(biāo),絕對(duì)星等作為縱坐標(biāo),將所有的恒星都繪制在這同一幅坐標(biāo)圖上。誰(shuí)也沒(méi)有想到,這個(gè)簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)卻得到了一項(xiàng)十分重要的發(fā)現(xiàn)：這個(gè)圖揭示了恒星演化的重要規(guī)律。這就是天文學(xué)中的一項(xiàng)重大成就——赫羅圖。

赫羅圖上反映的是一種現(xiàn)象，其原因是什么呢?也就是說(shuō),我們必須用物理原理來(lái)解釋它。任何物體都有萬(wàn)有引力，而物體內(nèi)部的熱運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一種向外排斥的壓力。如果星體內(nèi)部的壓力不足以與引力抗衡,就要收縮;反之，就要膨脹。當(dāng)引力大于壓力時(shí)，星際云局部小云團(tuán)收縮形成恒星;中年恒星引力與壓力平衡，就保持穩(wěn)定，老年恒星引力小于壓力，就發(fā)生膨脹或爆發(fā)而留下星核，并在引力作用下調(diào)縮。

原因

20世紀(jì)30年代，物理學(xué)家從理論上發(fā)現(xiàn)，原子核反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生巨大的能量。用這種理論來(lái)研究太陽(yáng)的能源，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)的能源正好可以用核反應(yīng)來(lái)解釋。

各種年齡的恒星內(nèi)部發(fā)生著各種熱核反應(yīng);恒星演化過(guò)程中會(huì)發(fā)生一系列熱核反應(yīng)，輕元素逐漸向重元素轉(zhuǎn)化，逐漸改變恒星的成分，改變恒星的內(nèi)部狀態(tài)。并且，發(fā)生這些熱核反應(yīng)所需要的溫度也越來(lái)越高。

恒星內(nèi)部熱核反應(yīng)所產(chǎn)生的能量以對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射三種方式傳輸出來(lái)。由于大多數(shù)恒星的物質(zhì)是氣態(tài)的,熱傳導(dǎo)作用不大,只有內(nèi)部極其致密的特殊恒星(例如白矮星)，內(nèi)部熱傳導(dǎo)才比較顯著。大多數(shù)恒星內(nèi)部主要依靠輻射來(lái)傳輸核反應(yīng)產(chǎn)生的能量,傳輸?shù)乃俣认喈?dāng)慢,例如太陽(yáng)把它深達(dá)70萬(wàn)千米的中心處的能量傳輸?shù)奖砻?需要1000萬(wàn)年。對(duì)流傳輸能量的速度比輻射快得多,但是不同質(zhì)量的恒星,對(duì)流層的位置和厚度很不一樣。主星序左上部的恒星,質(zhì)量大,中心區(qū)是小的對(duì)流核,外面是輻射包層。主星序中下部的恒星,質(zhì)量較小,內(nèi)部輻射層很厚,僅表面有較薄的對(duì)流層。主星序右下部的恒星,質(zhì)量很小,整個(gè)恒星是對(duì)流的。

恒星內(nèi)部產(chǎn)生的能量決定了它的表面溫度和光度。

物理定律把恒星內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)、能量的產(chǎn)生、能量的傳遞和消耗與它的溫度、壓力、密度、成分等因素聯(lián)系了起來(lái)。其中一個(gè)因素的變化會(huì)引起其他因素的變化。因此，研究天體的演化就是要在物理定律的制約下,說(shuō)明各種因素如何協(xié)調(diào)地變化。

按照天體的質(zhì)量和化學(xué)成分,運(yùn)用物理定律,可以計(jì)算出不同時(shí)間的內(nèi)部結(jié)構(gòu),即從恒星中心到表面各層的溫度、密度、壓力、能流及恒星輻射的總光度和表面溫度等物理量,從而可以確定恒星在赫羅圖上的位置;這樣還可以得出恒星的結(jié)構(gòu)與物理參量隨時(shí)間的變化情況,這樣也就得出了恒星演化的過(guò)程,也就可以看出恒星在赫羅圖上位置移動(dòng)。這就是研究恒星演化的基本方法。

把核反應(yīng)理論應(yīng)用于恒星演化,計(jì)算的結(jié)果正好符合觀測(cè)的數(shù)據(jù),證明了這種理論及其應(yīng)用的正確性。于是，恒星演化理論開始發(fā)展了起來(lái)。

演化的結(jié)果

由于引力的控制，恒星演化的總趨勢(shì)是密度增大，而質(zhì)量丟失、碎裂、不穩(wěn)定或爆炸等現(xiàn)象使其質(zhì)量減小。熱星的演化必定以三種可能的冷態(tài)之一為終結(jié)：白矮星，中子星，黑洞。

質(zhì)量小于SM的恒星沿A線移動(dòng)。在離開氫轉(zhuǎn)變成氦的主序段后，恒星中心的溫度和密度都上升，直至氦能夠聚合成碳。碳保持沉寂，恒星最后變成白矮星。質(zhì)量更大的恒星的演化軌跡是B線，它們中心的碳能燃燒成為鎂，并最后成為中子星。軌跡C是最為假設(shè)性的，它可能表示著質(zhì)量在25M以上的恒星，在經(jīng)過(guò)了到生成鐵為止的所有熱核燃燒階段后，最終成為黑洞。

恒星的誕生

恒星的演化開始于巨分子云。一個(gè)星系中大多數(shù)虛空的密度是每立方厘米大約0.1到1個(gè)原子，但是巨分子云的密度是每立方厘米數(shù)百萬(wàn)個(gè)原子。一個(gè)巨分子云包含數(shù)十萬(wàn)到數(shù)千萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，直徑為50到300光年。

在巨分子云環(huán)繞星系旋轉(zhuǎn)時(shí)，一些事件可能造成它的引力坍縮。 巨分子云可能互相沖撞，或者穿越旋臂的稠密部分。鄰近的超新星爆發(fā)拋出的高速物質(zhì)也可能是觸發(fā)因素之一。最后，星系碰撞造成的星云壓縮和擾動(dòng)也可能形成大量恒星。

坍縮過(guò)程中的角動(dòng)量守恒會(huì)造成巨分子云碎片不斷分解為更小的片斷。質(zhì)量少于約50太陽(yáng)質(zhì)量的碎片會(huì)形成恒星。在這個(gè)過(guò)程中，氣體被釋放的勢(shì)能所加熱，而角動(dòng)量守恒也會(huì)造成星云開始產(chǎn)生自轉(zhuǎn)之后形成原始星。

恒星形成的初始階段幾乎完全被密集的星云氣體和灰塵所掩蓋。通常，正在產(chǎn)生恒星的星源會(huì)通過(guò)在四周光亮的氣體云上造成陰影而被觀測(cè)到，這被稱為博克球狀體。

質(zhì)量非常小(小于一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量)的原始星的溫度不會(huì)到達(dá)足夠開始核聚變的程度,它們會(huì)成為棕矮星，在數(shù)億年的時(shí)光中慢慢變涼。大部分的質(zhì)量更高的原始星的中心溫度會(huì)達(dá)到一千萬(wàn)開氏度，這時(shí)氫會(huì)開始聚變成氦，恒星開始自行發(fā)光。核心的核聚變會(huì)產(chǎn)生足夠的能量停止引力坍縮，達(dá)到一個(gè)靜態(tài)平衡。恒星從此進(jìn)入一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的階段。如果恒星附近仍有殘留巨分子云碎片，那么這些碎片可能會(huì)在一個(gè)更小的尺度上繼續(xù)坍縮，成為行星、小行星和彗星等行星際天體。如果巨分子云碎片形成的恒星足夠接近，那么可能形成雙星和多星系統(tǒng)。

恒星的中年

恒星有不同的顏色和大小。從高熱的藍(lán)色到冷卻的紅色，從0.5到20個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。恒星的亮度和顏色依賴于其表面溫度，而表面溫度則依賴于恒星的質(zhì)量。大質(zhì)量的恒星需要比較多的能量來(lái)抵抗對(duì)外殼的引力，燃燒氫的速度也快得多。

恒星形成之后會(huì)落在赫羅圖的主星序的特定點(diǎn)上。小而冷的紅矮星會(huì)緩慢地燃燒氫，可能在此序列上停留數(shù)千億年，而大而熱的超巨星會(huì)在僅僅幾百萬(wàn)年之后就離開主星序。像太陽(yáng)這樣的中等恒星會(huì)在此序列上停留一百億年。太陽(yáng)也位于主星序上，被認(rèn)為是處于中年期。在恒星燃燒完核心中的氫之后，就會(huì)離開主星序。

恒星的成熟

在形成幾百萬(wàn)到幾千億年之后，恒星會(huì)消耗完核心中的氫。大質(zhì)量的恒星會(huì)比小質(zhì)量的恒星更快消耗完核心的氫。在消耗完核心中的氫之后，核心部分的核反應(yīng)會(huì)停止，而留下一個(gè)氦核。

失去了抵抗重力的核反應(yīng)能量之后，恒星的外殼開始引力坍縮。核心的溫度和壓力像恒星形成過(guò)程中一樣升高，但是是在一個(gè)更高的層次上。一旦核心的溫度達(dá)到了1億開氏度，核心就開始進(jìn)行氦聚變，重新通過(guò)核聚變產(chǎn)生能量來(lái)抵抗引力。恒星質(zhì)量不足以產(chǎn)生氦聚變的會(huì)釋放熱能，逐漸冷卻，成為紅矮星。

積熱的核心會(huì)造成恒星大幅膨脹，達(dá)到在其主星序階段的數(shù)百倍大小，成為紅巨星。紅巨星階段會(huì)持續(xù)數(shù)百萬(wàn)年，但是大部分紅巨星都是變星，不如主序星穩(wěn)定。

恒星的下一步演化再一次由恒星的質(zhì)量決定。

恒星的晚年和死亡

低質(zhì)量恒星

低質(zhì)量恒星的演化終點(diǎn)沒(méi)有直接觀察到。宇宙的年齡被認(rèn)為是一百多億年，不足以使得這些恒星耗盡核心的氫。當(dāng)前的理論都是基于計(jì)算機(jī)模型。

一些恒星會(huì)在核心進(jìn)行氦聚變，產(chǎn)生一個(gè)不穩(wěn)定和不平衡的反應(yīng)，以及強(qiáng)烈的太陽(yáng)風(fēng)。在這種情況下，恒星不會(huì)爆發(fā)產(chǎn)生行星狀星云，而只會(huì)耗盡燃料產(chǎn)生紅矮星。

但是小于0.5倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星甚至在氫耗盡之后都不會(huì)在核心產(chǎn)生氦反應(yīng)。像比鄰星這樣的紅矮星的壽命長(zhǎng)達(dá)數(shù)千億年，在核心的反應(yīng)終止之后，紅矮星在電磁波的紅外線和微波波段逐漸暗淡下去。

中等質(zhì)量恒星

達(dá)到紅巨星階段時(shí)，0.4到3.4太陽(yáng)質(zhì)量的恒星的外殼會(huì)向外膨脹，而核心向內(nèi)壓縮，產(chǎn)生將氦聚變成碳的核反應(yīng)。聚變會(huì)重新產(chǎn)生能量，暫時(shí)緩解恒星的死亡過(guò)程。對(duì)于太陽(yáng)大小的恒星，此過(guò)程大約持續(xù)十億年。

氦燃燒對(duì)溫度極其敏感，造成很大的不穩(wěn)定。巨大的波動(dòng)會(huì)使得外殼獲得足夠的動(dòng)能脫離恒星，成為行星狀星云。行星狀星云中心留下的核心會(huì)逐漸冷卻，成為小而致密的白矮星，通常具有0.6倍太陽(yáng)質(zhì)量，但是只有一個(gè)地球大小。

在重力和電子互斥力平衡時(shí)，白矮星是相對(duì)穩(wěn)定的。在沒(méi)有能量來(lái)源的情況下，恒星在漫長(zhǎng)的歲月中釋放出剩余的能量，逐漸暗淡下去。最終，釋放完能量的白矮星會(huì)成為黑矮星，但是目前宇宙的年齡不足以使得這樣的星體存在。

在同時(shí)形成的雙星或者多星系統(tǒng)中，恒星際質(zhì)量交流可能改變演化過(guò)程。因?yàn)橐徊糠仲|(zhì)量被其他恒星獲得，系統(tǒng)中質(zhì)量較大的恒星的紅巨星階段演化會(huì)被加速，而質(zhì)量較小的恒星會(huì)吸收一部分紅巨星的質(zhì)量，在主星序停留更長(zhǎng)時(shí)間。舉例來(lái)說(shuō)，天狼星的伴星就是一顆年老的大約一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的白矮星，但是天狼星是一顆大約2.3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的主序星。

如果白矮星的質(zhì)量超出錢德拉塞卡極限，電子互斥力會(huì)不足以抵抗引力，而會(huì)繼續(xù)坍縮下去。這會(huì)造成恒星向外拋出外殼，也就是超新星爆發(fā)，標(biāo)記著恒星的死亡。也就是說(shuō)，不會(huì)有大于1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量的白矮星。

如果白矮星和另外一顆恒星組成雙星系統(tǒng)，那么白矮星可能使用來(lái)自另外一顆恒星的氫進(jìn)行核反應(yīng)并且將周圍的物質(zhì)加熱拋出，即使白矮星的質(zhì)量低于1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量。這樣的爆炸稱為新星。

大質(zhì)量恒星

在超出5倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星的外殼膨脹成為紅超巨星之后，其核心開始被重力壓縮，溫度和密度的上升會(huì)觸發(fā)一系列聚變反應(yīng)。這些聚變反應(yīng)會(huì)生成越來(lái)越重的元素，產(chǎn)生的能量會(huì)暫時(shí)延緩恒星的坍縮。

最終，聚變逐步到達(dá)元素周期表的下層，硅開始聚合成鐵。在這之前，恒星通過(guò)這些核聚變獲得能量，但是鐵不能通過(guò)聚變釋放能量，相反，鐵聚變需要吸收能量。這會(huì)造成沒(méi)有能量來(lái)對(duì)抗重力，而核心幾乎立刻產(chǎn)生坍縮。

恒星演化的下一步演化機(jī)制并不明確，但是這會(huì)在幾分之一秒內(nèi)造成一次劇烈的超新星爆發(fā)。和輕于鐵的元素同時(shí)被拋出的中微子形成一個(gè)沖擊波，在被拋出的物質(zhì)吸收后，形成一些比鐵重的放射性元素，其中最重的是鈾。沒(méi)有超新星爆發(fā)的話，比鐵重的元素不會(huì)存在。

中微子沖擊波繼續(xù)將被拋出的物質(zhì)推出。被拋出的物質(zhì)可能和彗星帶碰撞，可能形成新的恒星、行星和衛(wèi)星，或者成為各種各樣的天體。

現(xiàn)代科學(xué)尚未明確超新星爆發(fā)的機(jī)制，以及恒星殘骸的成分，但是已知有兩種可能的演化終點(diǎn)：中子星和黑洞。

中子星

在一些超新星之中，電子被壓入原子核，和質(zhì)子結(jié)合成為中子。使得原子核互相排斥的電磁力消失之后，恒星成為一團(tuán)密集的中子。這樣的恒星被稱為中子星。

中子星的大小不超過(guò)一個(gè)大城市，但是極其致密。由于大部分角動(dòng)量殘留在恒星中，它們的自轉(zhuǎn)會(huì)極快，有些甚至達(dá)到每秒鐘600轉(zhuǎn)。恒星的輻射會(huì)被磁場(chǎng)局限在磁軸附近，而隨恒星旋轉(zhuǎn)。如果磁軸在自轉(zhuǎn)中會(huì)對(duì)準(zhǔn)地球，那么在地球上每次自轉(zhuǎn)過(guò)程中都可能觀測(cè)到一次恒星的輻射。這樣的中子星被稱為脈沖星，是最早被發(fā)現(xiàn)的中子星。

黑洞

被廣泛承認(rèn)的是并非所有超新星都會(huì)形成中子星。如果恒星質(zhì)量足夠大，那么連中子也會(huì)被壓碎，直到恒星的半徑小于史瓦西半徑，成為一個(gè)黑洞。

黑洞被廣義相對(duì)論所預(yù)言。根據(jù)傳統(tǒng)的廣義相對(duì)論，沒(méi)有任何物質(zhì)或者信息可以從黑洞中逃出，但是量子力學(xué)允許一些例外。黑洞的存在被理論和天文觀測(cè)廣泛支持。

但是仍有一些問(wèn)題尚待解決。當(dāng)前的超新星爆發(fā)理論尚未完善，不能說(shuō)明是否恒星可能壓縮成為黑洞而不經(jīng)過(guò)超新星爆發(fā)，是否有超新星形成的黑洞，以及恒星的初始質(zhì)量和演化終點(diǎn)的關(guān)系。