星光的奥秘

恒星不断地诞生、燃烧和死去，星光讲述的是一个个惊心动魄的故事。

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4:57 云图 / 弦乐六重奏 来自星空天文网

ESA / NASA

“亚里士多德告诉我们，恒星是由第五元素——而非地球上的四大元素制造而成的，它们与构建人类灵魂的材料是相同的。这就是为什么人类的精神堪比天上的繁星。也许这种看法并不怎么科学，但是想到每个人身体里都有星光，我就喜欢上了这个说法。”

——丽莎·克莱帕丝

星光中隐藏着宇宙间最伟大的奥秘。

Nick Risinger

夜空中繁星点点。它们貌似千篇一律，但实际上却异彩纷呈。

NASA / ESA / 哈勃

宇宙中每颗星的命运，在它们诞生那一刻便已基本上注定。

Josh Walawender

当大片的氢分子云坍缩时，云体的一部分就会形成恒星。恒星的质量各异，大致可以根据质量分为七种主序类型。

Kieff

从数量上来看，只有大约0.12%的恒星是O级和B级星，大约75%的恒星是M级星。O级星是最亮的，质量最大的，也是燃料消耗速度最快的。年轻星团内最显著的就是这类极其明亮的蓝星，但它们的数量远不及那些较暗的、偏红色的恒星多。

兰卡威国家天文台

如果我们以星团中恒星的光度——也就是它们的固有亮度为y轴，以恒星的色彩（最蓝的在左，最红的在右）为x轴，制作一张图表，我们就会得到一个曲线区域。这就是所谓的“赫-罗图”，这个恒星聚集的曲线区域就是主序。位于主序内的恒星以燃烧氢元素为主。（这其中也包括我们的太阳。）

Richard Powell

但是随着时间的推移，恒星内核的氢逐渐耗尽，色调最蓝、质量最大的恒星氢消耗得最快。新生星团内的恒星几乎全是主序星，而古老的星团族群，它们的赫罗图看起来更为复杂。下面就是球状星团M55的赫-罗图，这是个相当古老的星团。

B.J. Mochejska / J. Kaluzny

在这个星团内，所有的大质量恒星皆已耗尽氢燃料而消亡。（主序上仅存的蓝星是蓝色离散星，它们是由低质量的主序星合并产生的。）与此同时，星团内几乎所有的恒星内核中，氢元素已相当缺乏，恒星内核开始收缩。基于热力学原理，当恒星的内核收缩时，它们的温度会升高。温度的升高足以使恒星内核周围的氢壳发生聚变。此时，恒星便会开始膨胀。（除了M级星以外，M级星的质量太低，以致于无法引发下一阶段的聚变。）

此时的主序星会步入“亚巨星”阶段，亚巨星阶段的恒星亮度比主序阶段的恒星稍大，温度稍低。这里的温度，指的是恒星外层（以及表面），这是恒星膨胀的结果。而在恒星内部，内核的温度其实会变得更高。能量输出的增加，导致恒星变得更大、更明亮，但膨胀会导致恒星表面温度下跌。这就是恒星体积增大、色彩变红的原因。

南河三及其内部结构。Arun Venkatram / David Darling

“南河三（Procyon）”就是这样一颗恒星，它距离我们只有11.5光年，是夜空中最明亮、距离地球最近的恒星之一。在几千万年时间里，亚巨星会持续地膨胀，外层温度会持续下降。与此同时，恒星内核的温度却在持续升高，最终引发氦聚变。

在这一阶段，恒星的膨胀会变本加厉，成为一颗真正的红巨星。这是一个能够持续数亿年的阶段，光度会达到最高。红巨星会因为它们自身的硕大无比而变得更“冷”；正如绝热性的收缩会导致内核升温一样，绝热性的膨胀也会导致表面降温，即便恒星的能量输出总量增加也于事无补。随着这个巨大的红色巨人开始把氦依次转变为碳、氧以及更重的元素，恒星的光度会逐渐稳定，但是恒星的体积将不如以前，色彩也没有那么红。下图，是太阳和橙巨星大角、红巨星心宿二的对比。

Sakurambo

这一阶段的演化被称为“水平分支”，许多恒星在这一阶段甚至会回到主序上。

因此，K级以上恒星的演化过程是这样：主序星（氢核燃烧）、亚巨星（氢壳燃烧）、红巨星（氦核燃烧）、水平分支星（持续的氦燃烧，生成更重的元素）。

James Schombert

假如恒星的质量足够大，大到当它的氦核燃尽收缩后氦壳仍能燃烧，它会再次成为红巨星，光度也会变得更大。虽然它看起来像是一颗温度更高的红巨星，但这是个不同的演化阶段。这一阶段的名称叫什么，取决于恒星的质量。如下图所示。

Rursus

这一循环会持续进行：内核收缩，外壳燃烧（如果可能的话），内核升温，内核中的重元素开始聚变为更重的元素（氖、镁、硅、硫，直至铁、镍和钴），此时的恒星的颜色会不断地在偏蓝和偏红间切换，但光度会一直保持在非常高的水平。

到了最终阶段，如果恒星的质量是太阳的8到10倍，那么聚变就此终止，内核收缩为一颗白矮星，外壳被逐渐抛掉，变成形形色色的行星状星云。

Carlos Milovic / 哈勃 / NASA

剩下的内核——白矮星，尽管温度比主序阶段更高、颜色更蓝，但是它们的光度只有恒星原有光度的百万分之一。许多不同类型的恒星，如所有的K级星，G级、F级、A级星，以及大部分的B级星，最终都将变成白矮星。

Katie Chamberlain

质量大于太阳10倍以上的O级星和部分明亮的B级星，它们的内核质量过大，内核中的原子将无法承受引力的作用。它们的内核会发生整体坍缩，在引发壮观的超新星爆发后，变成黑洞或中子星，由此结束它们作为恒星的一生。

当这些恒星全都死去之后——无论它们是变成行星状星云和白矮星，变成中子星、黑洞和超新星，还是简单地收缩为氦白矮星（质量最低的恒星）——它们发出的星光都将极大的变弱，但要完全冷却仍需数万亿年。此时的它们严格地说已经不再是恒星。

Chris Hendren

在我们银河系中，大约有1000-4000亿颗处于不同生命阶段的恒星；而在我们的宇宙中，至少有数千亿个这样的星系。

Ethan Siegel 文 / 老孙 译
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