明星的生活

当星际物质凝结成恒星时，恒星的演化取决于其内部的核反应过程。在稳定状态下，恒星向内的引力与向外的运动压力和辐射压力相平衡。但在某些情况下，这种平衡条件会被破坏，处于不同演化阶段的恒星有不同的观测表现。

恒星的演化过程

1.恒星的形成

当宇宙发展到一定时期，宇宙中充满了均匀的中性原子气体云，大质量气体云由于自身引力而坍缩。这样，恒星就进入了形成阶段。坍缩初期，气体云内部的压力很小，物质在自身重力的作用下加速向中心下落。当物质的线性度缩小了几个数量级，情况就不一样了。一方面，气体的密度急剧增加。另一方面，由于失去的重力势能部分转化为热能，气体的温度也大大提高了。气体的压力与其密度和温度的乘积成正比，所以在坍缩过程中压力增加得更快。这样就在气体内部迅速形成了足以与自引力抗衡的压力场。

星坯的机械平衡是由内部压力梯度和自身引力引起的，但压力梯度的存在依赖于内部温度的不均匀性(即星坯中心的温度高于外围)，所以在热量方面是一个不平衡的系统，热量会从中心逐渐流出。这种热量平衡的自然趋势在力学中起着削弱作用。因此，星坯必须缓慢收缩，其引力势能降低使温度升高，从而恢复力学平衡；同时也通过降低引力势能来提供星坯辐射所需的能量。这是恒星空白演化的主要物理机制。

让我们用经典的引力理论粗略地讨论一下这个过程。考虑密度为ρ，温度为t，半径为r的球形气体云系，气体的热运动能:

ET= RT= T

(1)气体视为单原子理想气体，μ为摩尔质量，R为气体的普适常数。

为了得到气云球的引力能Eg，想象一下曲球的质量一点一点向无穷大移动，场力的功等于-eg .当球的质量为m，半径为r时，场力在将dm从表面移走的过程中做功:

dW=- =-G( )1/3m2/3dm

(2)所以:-Eg=- ()1/3m2/3dm= G( M5/3

所以:Eg=- (2)，

气体云的总能量:E=ET+EG (3)

热运动使气体均匀分布，重力使气体集中。现在两者一起工作。当E & gt0点，热运动占主导，气云稳定，小扰动不会影响气云平衡；当e

(4)相应气体云的临界质量是:

(5)原始气体云密度小，临界质量大。所以很少有恒星是单独产生的，大部分是由一群恒星一起形成星团产生的。球状星团可以包含105→107颗恒星，可以认为是同时产生的。

我们知道:太阳的质量:mθ= mθ= 2×1033，半径R=7×1010。我们带入(2)可以得到太阳收缩到今天的状态所释放的引力能量。

太阳的总光度L=4×1033erg.s-1如果这种辐射亮度是由重力作为能量维持的，那么持续时间为:

很多证明表明，太阳在今天的状态下已经稳定了5×109年。所以恒星空白阶段只能是太阳像今天这样形成稳定状态之前的短暂过渡阶段。这就提出了一个新的问题，恒星毛坯的引力收缩是如何停止的？之后，太阳辐射的能量来源是什么？

2.2主序星的密度在收缩过程中增加。我们知道ρ∝r-3由式(4)给出，rc ∝ R3/2，所以rc比R下降得快，一部分收缩气体云在新的条件下达到临界点。小小的扰动就可能造成新的局部坍塌。这样，在一定条件下，大的气体云收缩成一个凝聚体，成为原恒星。原恒星吸收周围的气体云后，继续收缩，表面温度不变，中心温度不断上升，引起温度、密度、气体成分的各种核反应。产生的热能使温度上升极高，气体压力抵抗引力使原恒星稳定成恒星，恒星的演化从主序星开始。

明星多由H和He组成。当温度达到104K以上，即粒子平均热动能达到1ev以上时，氢原子通过热碰撞完全电离(氢的电离能为13.6eV)。温度进一步升高后，等离子体气体中氢核之间的碰撞可能会引起核反应。对于含有纯氢的高温气体，最有效的核反应系列是所谓的P-P链:

主要反应是2D(p，γ)3He反应。D的含量只有氢的10-4左右，很快就会燃尽。如果一开始D的含量大于3He，那么反应生成的3H可能是恒星早期3He的主要来源，这种由于对流而到达恒星表面的3He可能直到现在仍然存在。

Li、Be、B等轻核的结合能和D一样低，含量只有h的2×10-9K左右，当中心温度超过3×106K时，它们开始燃烧，引起(p，α)和(p，α)反应，很快变成3He和4He。当中心温度达到107K，密度达到约105kg/m3时，生成的氢气转化为he的41H→4He过程。这主要是p-p和CNO周期。同时，包含1H和4He的是一个p-p链式反应，它由以下三个分支组成:

P-p1(仅1H) p-p2 (1H和4he同时)P-P3。

或者假设1H和4He的重量比相等。随着温度的升高，反应从p-p1逐渐过渡到p-p3。

而当T & gt当温度为1.5×107K时，恒星燃烧H的过程可以过渡到CNO循环。

当恒星与重元素C和N混合时，它们可以作为催化剂将1H变成4He，这就是CNO循环，它有两个分支:

或者总反应速率取决于最慢的14N(p，γ)15O和15N的(p，α)和(p，γ)反应分支的比值，约为2500: 1。

这个比率几乎与温度无关，所以2500个CNO循环中有一个是CNO-2。

在p-p链和CNO循环过程中，净效应是H燃烧生成he:

在释放的26.7MeV能量中，大部分被消耗为给恒星加热和发光，成为恒星的主要来源。

我们前面提到恒星的演化是从主序开始的，那么主序是什么呢？当H稳定燃烧成He时，该星成为主序星。已经发现80%到90%的恒星是主序星。它们的共同特点是氢在核心区域燃烧，它们的光度、半径、表面温度都不一样。后来证明主序星的数量差异主要是质量，其次是年龄和化学成分。太阳的运行周期大约是一千万年。

观测到的主序星最小质量约为0.1M⊙。模型计算表明，当质量小于0.08M⊙时，恒星的收缩不会达到氢的点火温度，因此不会形成主序星，说明它对主序星有一个质量下限。观测到的主序星最大质量大约是几十个太阳质量。理论上质量太大的恒星辐射很强，内部能量过程非常剧烈，所以结构更不稳定。但是理论上没有绝对的质量上限。

在对一个星团进行统计分析时，人们发现主序星存在一个上限。这是什么意思？我们知道，主序星的光度是质量的函数，这个函数可以用幂来分段表示:

l∧mν

其中υ不是常数，其值约为3.5至4.5。M反映了主序星有更多的质量可供燃烧，L反映了快速燃烧，所以主序星的寿命可以用M和L的商标来近似标注:

T∝M-(ν-1)

即主序星的寿命随着质量的增加按幂律递减。如果整个星团的年龄是t，那么从t和m的关系可以得到一个截止质量MT，质量大于MT的主序星已经结束了核心H燃期，而不是主序星，这就是为什么观测到大量同龄恒星组成的星团有上限的原因。

现在我们来讨论一下观测到的恒星大部分是主序星的原因。表1基于25M恒定燃烧阶段的点火温度(k)、中心温度(g cm-3)和持续时间(yr)。

H 4×107 4 7×106

何2×108 6×102 5×105

c 7×108 6×105 5×102

ne 1.5×109 4×106 1

o 2×109 1×107 5×10-2

si 3.5×109 1×108 3×10-3

燃烧级总寿命为7.5×106。

恒星演化模型列出了各种元素的点火温度和燃烧持续时间。从表中可以看出，原子序数大、点火温度高的原子核，Z大的原子核不仅点火困难，而且点火后燃烧更剧烈，所以燃烧持续时间更短。在这个25M⊙表1 25M⊙恒星演化模型中，燃烧阶段的模型星总寿命为7.5×106年，90%以上的时间是氢燃烧阶段，即主星序阶段。从统计学上来说，这说明在主序阶段找到恒星的可能性更大。这就是大多数观测到的恒星都是主序星的基本原因。

2.3主序后的演化由于恒星形成是其氢的主要成分，而氢的点火温度低于其他元素，恒星演化的第一阶段始终是氢的燃烧阶段，即主序阶段。在主序阶段，恒星内部的压力分布和表面温度分布是稳定的，因此它的光度和表面温度在整个长阶段只有很小的变化。让我们来讨论一下，当核心区域的氢燃烧后，恒星将如何进一步演化。

在恒星燃烧完核心区域的所有氢气后，它会关闭。此时核心区主要是氢气，是燃烧的产物。外围区域中的物质主要是未燃烧的氢。核心关闭后，恒星失去了辐射能，因此它的引力收缩是一个关键因素。一个核燃烧阶段的结束表明，恒星所有部分的温度都低于在那里点火所需的温度。引力收缩会使恒星各部分的温度升高，这实际上是寻找下一次核点火所需的温度。引力收缩会提高恒星所有部分的温度。主序后的引力收缩首先点燃氦的不是核心区(它的点燃温度太高)，而是核心和外围之间的氢壳层。氢壳点燃后，此时的核心区，由于核心区释放的引力势能和燃烧氢释放的核能，都需要穿过外层未燃氢层，必须剧烈膨胀，使得介质辐射更加透明。氢层的膨胀降低了恒星的表面温度，所以这是一个光度增大、半径增大、表面冷却的过程。这个过程就是恒星从主序到红巨星的转变。当这一过程进行到一定程度时，氢区中心的温度会达到氢点火的温度，然后会过渡到一个新的阶段——氦燃烧阶段。

在恒星中心发生氦点火之前，引力收缩使其密度达到103g·cm-3的数量级。此时气体的压力对温度的依赖性较弱，因此核反应释放的能量会使温度升高，进而加剧核反应速率。一旦点燃，它很快就会燃烧得如此猛烈，以至于爆炸。这种点火方式叫“闪”？quot因此，在现象中，你会看到恒星的光度突然上升到一个很大的水平，然后又下降得很低。

另一方面，当引力收缩时，其密度无法达到103g·cm-3的数量级。此时，气体的压力与温度成正比。当点火温度升高时，压力会升高，核燃烧区会膨胀，而膨胀会降低温度，所以燃烧可以稳定进行。因此，这两种点火条件对演化过程的影响是不同的。

氦闪后恒星如何演化？闪光释放出大量能量，很可能将恒星外层的氢全部吹走，只剩下氦核。氦核区密度因膨胀而降低，未来氦可能在其中正常燃烧。氦燃烧的产物是碳。氦熄火后，恒星在碳的核心区域会有一个氦壳。因为剩余质量太小，达不到碳的点火温度，所以结束了用氦燃烧的进化，走向热死。

因为引力坍缩与质量有关，不同质量的恒星演化是不一样的。

M & lt0.08M⊙星:氢气无法点燃，没有氦气燃烧阶段会直接死亡。

0.08 & ltM & lt0.35M⊙星:氢气可以点火，氢气熄灭后，氢核区达不到点火温度，从而结束核燃烧阶段。

0.35 & ltM & lt2.25M⊙星:其主要特征是氦会点燃，出现“氦闪”。

2.25 & ltM & lt4M⊙ Star:关氢后氢气能正常燃烧，但关氢后碳达不到着火温度。这里的反应是:

在He反应的初始阶段，当温度达到108K量级时，CNO循环产生的13C和17O可与4He反应生成16O和20Ne。经过长时间的he反应，20ne (p，γ) 26550。ν) 21Na和21Na中的14N吸收两个4He形成22Ne能量产生(α，n)反应形成24Mg和25Mg等。这些反应作为能源并不重要，但是放出的中子可以进一步产生中子核反应。

4 & ltM & lt8 → 65438+200m ⊙恒星，这是一个不清楚的范围。也许碳点不着，也许有“碳闪”，也许能正常燃烧，因为最终中心温度已经很高了，加上一些敏感因素，比如中微子的能量损失，使得情况变得模糊。

he反应后，当中心温度达到109K时，C、O和Ne燃烧反应开始，主要是C-C反应、O-O反应和20Ne的γ、α反应；

8→10M⊙& lt；m的星星:氢、氦、碳、氧、氖、硅，能一步步正常燃烧。最后在中心形成一个无法释放能量的核心区，各种可燃但未燃烧的氢壳在核心区之外。核燃烧阶段末期，整颗恒星从内到外呈现层状结构(Fe、Si、Mg、Ne、O、C、he、H)。

2.4明星的终结

现在我们知道，对于质量小于8→10M⊙的恒星，由于达不到下一级和点火温度，将结束其核燃烧阶段。对于质量更大的恒星，它会在核心区域燃料耗尽后结束核燃烧阶段。之后，明星的最终归宿是什么？

一旦核燃烧停止，恒星必须经历引力收缩，因为恒星内部维持机械平衡的压力与其温度有关。所以，如果恒星在a？quot最终的平衡构型必须是一个“冷”平衡构型，即它的压强和它的温度无关。

主序星核心H耗尽后，离开主序就是它最后历程的开始。胜负主要看质量。对于质量小的恒星，由于质量小，物体内部的自引力并不重要。固体内部的平衡是通过正负离子间的净库仑引力和电子间的压力实现的。

当恒星的质量较大，直到不能忽略自引力时，那么自引力使内部密度和压力增加，压力的增加就是物质的压力电离，逐渐导致固体的电约束解体，转变为等离子体气体。增加质量，也就是增加密度。此时压力与温度无关，从而达到“冷”平衡构型。等离子体中电子的动能大到足以在物质内部引起β衰变:

这里，P是原子核中的质子。当密度达到108 g.cm-3时，这种反应会使负离子体中的原子核逐渐变成富中子核，原子核中的中子过多，导致原子核结构变得松散。当密度超过4× 101g时。cm-3，中子会开始从原子核中分离出来。如果质量变大时，中子气体之间的压力无法抵抗物质的自引力，就会形成黑洞，但由于大多数恒星的质量在演化后期小于其初始质量，如恒星风、“氦闪”、超新星爆炸等，会损失恒星很大比例的质量。所以恒星的最终质量并不能通过它的初始质量来判断，实际上取决于演化过程。那么我们可以得出这样的结论。8→10M⊙以下的恒星最终会甩出部分或大部分质量，成为白矮星。8→10M⊙以上的恒星，通过星核的引力坍缩，最终会变成中子星或黑洞。

结束

目前观测到的恒星质量范围是0.1→60M⊙质量小于0.08M⊙的天体无法达到点火温度。所以，不发光就成不了明星。质量大于60M⊙的天体中心温度过高且不稳定，至今未发现。

通过讨论，可以大致了解恒星的演化过程，主要经历:气体云→坍缩阶段→主序星阶段→主序星后阶段→最终阶段。这对我们进一步了解恒星的演化具有重要意义。

从地球上看夜空，宇宙是一个星星的世界。

宇宙中恒星的分布是不均匀的。从它们诞生的那一天起，它们成群聚集，相互反射，形成双星、星团和星系...

恒星是一颗燃烧的行星。一般来说，恒星的体积和质量都比较大。只是因为离地球太远，星光才显得那么微弱。

古代天文学家认为恒星在星空中的位置是固定的，所以命名为“星”，意为“永恒的星”。但是今天我们知道它们一直在高速运动。比如太阳是带着整个太阳系绕着银河系中心转的。但其他恒星离我们太远，我们很难察觉到它们位置的变化。

明星发光的能力有强有弱。天文学上用“光度”来表示。所谓“光度”，是指恒星表面以光的形式辐射出来的能量。恒星表面也有高低温。一般来说，恒星表面温度越低，其光线越红；温度越高，光线越蓝。表面温度越高，表面积越大，光度越大。科学家可以从恒星的颜色和光度中提取很多有用的信息。

历史上，天文学家hertzsprung和哲学家Russell首先提出了恒星分类与颜色和光度的关系，建立了名为“Herzog-Roto”的恒星演化关系，揭示了恒星演化的秘密。在“Herro-Roto”中，从左上方的高温强光区到右下方的低温弱光区，是一个狭窄的恒星密集区，我们的太阳也在其中；这个序列称为主序，90%以上的恒星都集中在主序中。主序区上方是巨星和超巨星区；左下方是白矮星区域。

恒星诞生于太空中的星际尘埃(科学家形象地称之为“星云”或“星际云”)。

明星的“青春”是其一生中最长的黄金阶段——主序阶段，占据其一生的90%。在此期间，恒星以几乎恒定的光度发出光和热，照亮周围的空间。

之后恒星会变得动荡，变成红巨星；然后，红巨星将在爆炸中完成所有任务，将大部分物质抛回太空，留下碎片，也许是白矮星，也许是中子星，甚至是黑洞...

就这样，恒星从星云出来，又回到星云，完成了它辉煌的一生。

绚烂的星星永远是夜空中最美的风景。