恒星的演化过程及详细图示（一口气看完恒星的生与死）

星云

人们相信所有的恒星都可以是以描述太阳的方式形成，也就是说，由一大团非常巨大的气体云和极小一部分的尘埃(小的固体粒子)由重力坍缩而成。大气体云的直径可能只有几光年，质量足以产生比太阳大得多的恒星。

大星云一般倾向于产生几颗恒星，而不仅仅是一颗。双星在银河系中非常常见；例如，天狼星、阿尔戈尔、卡佩拉、半人马座阿尔法星和卡斯特星都是双星，围绕一个共同的质量中心运行。

我们还发现了许多相当大的恒星群，它们年龄相仿，可能同时由相同的非常大的气体云形成。一个典型的例子是小星座昴宿星里面有六颗非常明亮的年轻恒星，可以用肉眼看到。

望远镜显示昴宿星大约有一百颗恒星。这种团体被称为开放集群有些离地球足够近，可以通过好一点的双筒望远镜看到这个壮观的景象。其实像我们太阳系这样的单星星系也可以算个例。（不会真和我们的后羿有关系吧，开个玩笑）

数字化天空测量中昴宿星的彩色合成图像

• 到达主序列

一颗新诞生的热原恒星从引力坍缩中获得能量。当核聚变开始时，它与主序的结合位置取决于它的亮度和温度——它现在是一颗零年龄的主序恒星。主序星上的恒星已经在它们的能量产生率和能量发射率之间达到了稳定的平衡，并且不再在重力作用下坍缩。但是一颗恒星保持稳定并保持在主序列上需要多长时间呢?

• 质光关系

与太阳相比，像天狼星这样明亮的a型恒星的质量是太阳的两倍，所以作为能量来源的氢也是太阳的两倍。但是天狼星的预期寿命比太阳短，因为它的辐射速度是太阳的两倍多。这是因为能量产生速率的增加意味着表面温度更高——记住，辐射速率依赖于温度(斯蒂芬-玻尔兹曼定律)：

1. 一般来说，对于主序上的恒星，光度L与质量的三次方近似成正比：L ∝ M3
2. 大致来说，一颗恒星的寿命t与它的质量平方成反比：t ∝ 1/M2

因此，质量是太阳两倍的恒星应该有四分之一的寿命。最巨大的恒星可能有50个太阳质量，预期寿命只有太阳的1/2500。另一方面，一颗太阳质量为0.1的恒星的寿命将是太阳质量的100倍。

在赫茨普朗-罗素图上，具有不同初始质量的恒星的演化轨迹。

赫兹普朗-罗素图上不同初始质量恒星的演化轨迹。轨道从恒星演化到主序列后开始，到聚变停止时停止(对于大质量恒星),到红巨星分支结束时停止(对于小恒星而言)

因此，银河系中古老的、小的、暗的恒星比大的、热的、亮的恒星要多，就不足为奇了。

一颗太阳大小的小恒星的死亡

当主序恒星最终耗尽其主要核燃料氢时，接下来会发生什么取决于核心的压力和温度。这又取决于恒星的质量。首先让我们考虑一颗太阳大小的恒星的命运。然后我们考虑越来越多非常巨大的恒星。

氢聚变首先在中心核心停止，然后开始冷却。但是核心周围是一个富含氢的球形外壳，在那里仍然会发生核聚变。随着内核冷却，其压力降低，重力赢得了让一切坍缩的漫长战斗。热氢聚变壳层向内下降，并随着重力势能的损失而进一步升温。

赫茨普朗-拉塞尔示意图。

• 一个红巨星的诞生

随着坍缩壳内的核聚变速度加快，释放出更强的辐射，因此恒星的下一层实际上变得更热。这是对流区，它会随着温度的升高而膨胀。事实上，它膨胀得如此之大以至于它的外表面，温度降低形成一颗大光球，在这一点上，像太阳这样的恒星会膨胀到最远到达地球的轨道。

现在光球的温度是3000度而不是主要的氢燃烧时期的6000度。但是表面积的增加意味着更多的能量被释放出来，恒星变得更加明亮——它的亮度增加了一千倍。这颗恒星现在是一颗红巨星。

• 即使是红色巨人也不会永远存在

故事不止于此。地核仍在引力作用下坍塌，温度仍在上升。它的密度也很大，所有的粒子都非常接近。大部分氢都用完了，现在剩下氦和电子。

当核心足够热时，另一个核聚变过程就开始了:氦通过三重阿尔法过程转化为碳。两个氦-4核首先结合形成铍-8;然后它和另一个氦-4原子核结合形成碳-12。

像NGC 288这样的球状星团中最亮的恒星是红巨星。

超致密核心中的这一新的能量产生过程开始得非常快，只需几分钟，并且可能产生足够的能量来加热现在也富含氦的邻近层。这可能会引发爆炸反应，红巨星下一层的物质可能会被炸开——持续几十年的“超级风”。然后，当它冷却时，恒星再次稳定下来。每隔几千年，这种“氦闪”就会再次出现。像这样的恒星看起来是脉动的，它的大小和亮度会随着时间的推移而变化。

• 古老的红巨星可能会变成行星状星云

这个时间尺度太长，无法观测到。这一理论被用来解释我们所能看到的行星状星云。它们被错误地称为“行星”，因为早期用小型望远镜观测的人认为它们是行星。当红巨星喷射出足够多的物质，使得炽热的超密核心裸露在视野中时，行星状星云就形成了。它照亮了环绕它的膨胀的气体外壳。

M27行星状星云

• 白矮星

致密的碳核不够热，无法进行更多的聚变反应，现在它是一颗白矮星。随着时间的推移，它冷却下来，变成一颗看不见的黑矮星。

哈勃太空望远镜拍摄的小天狼星A和小天狼星B的图像。小天狼星B是一个白矮星，在明亮得多的小天狼星A的左下角可以看到一个微弱的光点

比太阳质量大的恒星的命运

在像太阳这样的普通小恒星中，三α反应将是故事的结尾。当所有的氦都转化为碳时，恒星的温度太低，无法引发进一步的聚变反应，也没有足够的重力势能来通过进一步坍缩来升高温度。

但是比太阳质量更大的恒星可以继续产生更重的原子核并获得能量。例如，一个碳-12原子核可以与一个质子结合，生成氮的同位素，开始一个序列，这个序列又经过氧-15回到碳-12，然后是氦原子核。又有四个氢原子核参与其中，在氦-4中变成两个中子和两个质子。比太阳热的恒星的主要能量来源。随着恒星年龄的增长，可能会发生进一步的产能反应，导致像铁一样大的原子核的形成。使原子核比铁重吸收能量;较重的原子核是在超新星爆炸中形成的。

支持这一切的理论得到了地球上实验室实验的支持，该理论相当准确地预测了在恒星大气中检测到的元素的比例。

一颗五倍太阳质量的恒星的命运

一颗由五个太阳质量组成的主序恒星是一颗明亮的恒星，不仅比太阳大，而且表面温度超过20 000千。它通过将氢转化为氦来获得能量，但其过程比简单的质子-质子链要快。它核心的温度是太阳的两倍多——大约3.4 × 10⁷K.这样一颗恒星每秒发射的能量是太阳的500倍，如上所述，它在主序上的时间会更短。在这个阶段，它的寿命只有4亿年，相比之下，太阳的寿命有100亿年。

一旦核心被转化成氦，再重力作用下它就会收缩，氢就会向内沉降，在静止的核周围形成一个燃烧氢的外壳。这会产生了大量的能量，但是恒星的外壳会膨胀，所以发出的能量会扩散到更大的区域。因此，表面温度实际上降低了，恒星没有变得比以前更亮，而是变得更暗，即将成为一颗红巨星。

五个太阳质量恒星从主序列到后AGB的演化轨迹。

核心在重力作用下继续收缩，因此变得更热，氦通过三α过程转化为碳:⁴He ⁴He ⁴He→¹⁴C

这种额外的能量阻止了这颗恒星成为红巨星，它的表面温度也随之升高。然后这个过程提供了大约持续1000万年的能量。

当核心中的氦全部转化为碳时，它就停止产生能量。但在地核周围的外壳中，燃烧可能会继续，它会再次变成一颗红巨星。燃烧的外壳可能提供足够的能量来吹走较冷的外壳，恒星就会变得更亮。接下来发生的事情有两种可能性：

Q1、要么是退化的黑矮星......

这颗恒星在恒星风的作用下继续失去质量，静静地变成了一颗白矮星，完全由碳构成，大约是恒星质量的1.3到1.5倍太阳的质量。有了这个质量，核心中的粒子就会变得如此紧密，以至于引力无法使恒星变得更小。在这种状态下，电子简并压发挥作用（粒子具有排他性）。引力收缩没有能量。地核逐渐冷却，最终形成一颗黑色的矮星。

Q2、....…或者超新星？

或者，恒星可能仍然足够大，其外层不会退化。恒星仍然可以从重力收缩中获得能量，因此碳核可以变得足够热，以使碳燃烧发生。核心实际上是固体碳，原子核和电子非常接近。

在大约1.4个太阳质量的整个核心上，碳核几乎瞬间转化为更大的核。几毫秒内释放的能量是巨大的:能量发射的速度相当于一个由一百亿颗恒星组成的星系发射的能量。我们观察到天空中出现了一颗非常明亮的新星超新星。这是一个ⅠA型超新星。这种情况只有在质量相当低的恒星处于双星系统中时才有可能发生，在双星系统中，恒星可以通过吸积获得额外的可爆炸质量。

恒星的所有外层都以非常高的速度喷出——最高10⁷毫秒。超新星在大约40天后达到可见性的顶峰，此时热物质已经膨胀到太阳系的大小。

在典型的星系中，超新星大约每50年出现一次。这种情况最近还没有发生在附近，所以我们还不能用现代技术近距离研究这一壮观的天文景象。最著名的超新星遗迹是蟹状星云。

蟹状星云是一个与1054超新星相关的脉冲星风星云

历史上对超新星的记载发生在1054年，我国天文学家观察到了它，礼貌地称之为《客串明星》。，在我后面的文章中，我将讨论比太阳更大质量的恒星的命运。我还将对脉冲星和黑洞进行阐述。

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