恒星的演化1-绚烂的星空和恒星的基础知识

（一）. 恒星——

浩瀚的星空中有好多星球，有一类能发光发热、肉眼看上去几乎不动的星球，我们称之为恒星，比如我们的太阳。有一类自身不发光，绕着恒星运转的星球，反射恒星的光，我们称之为行星，比如水星、金星、地球、火星、土星、木星、天王星、海王星。此外，还有划过天际的流星和彗星，还有人造卫星、河外星系、恐怖的白矮星、中子星、黑洞，神秘的暗物质、暗能量......

彗星：彗星拖着长长的尾巴，它是由冰冻和尘埃组成的星际间物质，属于太阳系中一类小天体，在扁长的轨道上运行。如哈雷彗星、苏梅立克列维彗星等。

流星：流星是分布在星际空间的细小天体，绕太阳运行中，经过行星附近时，受行星引力的影响而改变轨道，在天空中就形成了流星。掉落在地球表面上，就形成了陨石，砸到月球和其它类地行星表面，就形成了大大小小的陨石坑。

恒星是由发光等离子体组成的天体。恒星是宇宙中的星云在引力的聚合下形成的自己发光发热的天体，是行星的母星。恒星是宇宙中最多的天体，其总质量占有可见物质的99.9%以上。我们用肉眼可见夜空的星星，除了少数行星、彗星、流星、卫星，仙女座、三角座、大、小麦哲伦这四个河外星系，就都是恒星了。

北半球肉眼可视河外星系仙女座星系（M31），这是用普通天文望远镜拍摄的照片。南半球可看到大小麦哲伦星系

▲ 北半球可以肉眼看到河外星系仙女座星系（M31），这是用普通天文望远镜拍摄的照片。南半球可以目视到大小麦哲伦星系

为了了解恒星的演化，我们需要知道恒星的最基础的知识。

1.恒星在核心进行核聚变，产生能量向外传输，再从表面辐射到外层空间。

2.两颗以上受到引力束缚的恒星组成双星，三颗组成三星，多颗组成聚星。

3.每个恒星的光谱各不相同，光谱就是恒星的身份证。因此天文学家也用光谱来定义恒星并对他们进行分类。

4.天文学家卡尔-萨根（Carl Sagan）曾说过：“宇宙中的恒星数量甚至比地球上的沙子的总和还多”。经过哈勃太空望远镜HST的深空场和极深场的数据测算，可观测宇宙中，至少有2万亿个星系，恒星数量至少是一百万亿亿颗（1后面有24个0），远超地球上沙子的总和。只是由于距离遥远的星体空间膨胀速度已超过光速，多普勒红移和气体尘埃的遮挡等原因，可见光下看到的星星只有很少。

注解：为何说可观测宇宙至少有2万亿个星系呢？2012年哈勃空间望远镜极深场照片覆盖面积仅为全天区面积1/1270万，有超过1万个星系，我们根据各向同性处处均匀的宇宙学原理，就可推算出可观测宇宙至少有2万亿个星系。

5.恒星聚合形成星团，星团聚合形成星系，多个星系聚合又形成星系群，多个星系群聚合又形成星系团。多个星系团聚合又形成超星系团。超星系团连接形成宇宙长城，宇宙长城组成宇宙丝网状结构。

6.星座：星座起源于古巴比伦，古巴比伦人最早将夜里的星空分成很多区域，用假想的线将星星连成一组一组的，成为星座。如摩羯座、水瓶座、双鱼座、白羊座、金牛座、双子座、室女座、天秤座、天蝎座、人马座、大熊座。著名的北斗七星就在大熊座内。

7.北半球星空：由于地球的公转，南北半球看到的星空景象是不一样的。同样是北半球，一年四季的星空也有变化。北半球星空中，春季最引人注目的是大熊座，夏季是“夏夜大三角”，秋季是飞马座，冬季是猎户座。北半球星空中，最亮的星星是北极星、织女星、牛郎星和天津四。

8.南半球星空：同样的星座，南半球的星空方向和北半球相比是南北颠倒的，熟悉了北半球星空，再看南半球星空，一时会难以适应，看起来十分别扭。南半球星座是大航海时代以后才被人们关注并纪录的，因此命名方式和北半球星空有很大差别，基本上是以动物命名的。如鲸鱼座、天兔座、天鸽座、大犬座、长蛇座、孔雀座、凤凰座、有的星座是17世纪后才命名的，如望远镜座，船底座、船帆座、南十字座。
天秤座、人马座、天蝎座、摩羯座是南北半球星空都能看到，只是方向是颠倒的。

在南半球，我们是看不到北极星的。

全天空，一共是88个星座。
南十字座是最小的星座。

(二）. 恒星的亮度

视星等：视星等是地球上的观测者所见的天体的亮度。把夜空中最亮的星星作为一等星，正常人肉眼能看到最暗的作为六等星（个别人能看到6.5星等），之间共相差100倍，也就是说，六个星等的等级相差了5等，视亮度相差100倍。两颗星等数相差一等，它们的视亮度相差都是2.512倍。即2.512*2.512*2.512*2.512*2.512=100。

" 视星等"的概念基础是源自2100多年前的古希腊，一位先哲、天文学家叫喜帕恰斯(又名:伊巴古，英文:Hipparchus)奠定了星等的概念基础，并且这个概念一直沿用到今天。只不过到了1850年，由于光度计在天体光度测量中的应用，转化成现代更为精准的可量化的概念。

金星最亮时为-4.6等星，全天最亮的恒星天狼星为-1.45等星，老人星为-0.73等星，织女星为0.00等星，牛郎星为0.77等星。

还有负星等，例如太阳的视星等为-26.71，满月的视星等为-12.6。

在晴朗而又没有月亮的夜晚，出现在我们面前的恒星天空中，眼睛能直接看到的恒星约3000颗，整个天球能被眼睛直接看到的恒星约6000颗，不超过7000颗。

视星等数并不反映恒星本身真正发出的光度大小，因为这里没有考虑恒星的距离(同样发光度的恒星，距离越远，我们看到的视亮度越小)，所以我们把这个星等数叫作视星等。因此天文学家又引入绝对星等的概念。

绝对星等：绝对星等是相对于视星等来说的，是假设把天体放在距离地球10秒差距(32.616光年)处所看到的亮度。按照这个概念的话，牛郎星就是2.19等，织女星是0.5等，天狼星是1.43等，我们的太阳是4.83等。

恒星亮度不仅用星等来区分，也用光度来区分。不同恒星光度差别很大，光度最强的恒星，光度是太阳的上百万倍。织女星是0.5等绝对星等，它的光度是太阳的50倍。

(三）. 行星际天体——

所有的行星际天体：行星、小行星、卫星、彗星都是恒星形成过程的渣滓组成。如我们太阳系，太阳一颗恒星其质量就占整个太阳系的99.86%，剩余天体质量之和只占太阳系的0.14%。行星自身不发光，主要靠吸收恒星辐射提升温度。

星际气体：星际气体既有气态的，也有等离子态的。只有在昏暗的行星和分散的星际物质里，才可以找到气态、固态和液态。宇宙中，等离子态其实是星际气体一种常见的形态。等离子态，就是组成星际物质的原子和分子的核外电子被恒星的强大辐射所电离，电子摆脱了原子核的束缚成为自由电子的状态。

根据天文学光谱观测，星际气体的组成元素主要是氢H，其次是氦He。宇宙中元素丰度分布，氢和氦占了可见物质的98%，其中氢大约74%，氦大约24%，其余元素加一起占2%，氢和氦元素在宇宙的分布证据，也是宇宙大爆炸理论的三大证据之一。这个我们放在大爆炸理论中说。

星际物质：是星际气体和星际尘埃等各种物质的总称。它们很不起眼，但作用很大，是宇宙中各种天体诞生的原始物质。

(四）. 恒星的体积和质量——质量决定命运

我们讨论恒星大小时，习惯先看一下太阳的大小以方便比较，我们熟知太阳的半径大约是69万公里（43.245万英里），质量是1.989*10^30公斤(表示10的30次方)，利用这些数值，天文学家创造两个术语“太阳半径”（=1R⊙）和“太阳质量”（=1M⊙）作为恒星的基准度量。

木星、比邻星、太阳与有名的几颗恒星大小、颜色的对比示意图

▲ 木星、比邻星、太阳与有名的几颗恒星大小、颜色的对比示意图

在天文学常用的恒星赫罗图上，恒星大小形成一个明显的序列，这个序列叫主（星）序。主星序阶段就是恒星内核进行氢聚变为能源的阶段。处于这个阶段的恒星叫主序星。一旦核心氢耗尽，恒星就离开了主星序，进入晚年。

相比体积（我们放在红超巨星阶段讲），质量才是恒星最重要的物理量。因为它决定了恒星的一生。恒星在主星序停留的时间取决于质量：质量小的停留时间长，质量大的停留时间短。恒星的演化最后结局，也取决于质量。

目前已知最小恒星2MASS J05233822-1403022，质量约7.21%M⊙

▲ 目前已知最小恒星2MASS J05233822-1403022，质量约7.21%M⊙

一般来说，小于2-3倍M⊙的是小质量恒星，大于8M⊙的是大质量恒星，中间是中等质量恒星。像太阳这样的恒星属于小质量恒星。

恒星通过吸积质量变大，小质量恒星的合并也可以形成大质量恒星。

恒星的质量有一定的范围。目前发现质量最小的恒星是太阳质量的7.21%。

目前发现质量最大的恒星，是位于LMC（Large Magellanic Cloud）大麦哲伦星系的BAT99-98，质量226M⊙，半径为38R⊙，体积为太阳的5.5万倍。

已知质量第二大恒星是R136a1（BAT99-108），质量215M⊙，半径为28.8-35.4R⊙，表面温度超过5万K。R136a1也位于LMC大麦哲伦星系的蜘蛛星云中。

再小再大的恒星几乎不存在，这是因为天体质量小于太阳的8%，核心温度和压力启动不了核聚变，天体就无法发光。

目前已知质量第二大的恒星R136a1，位在大麦哲伦星系的蜘蛛星云中，质量为215M

▲ 目前已知质量第二大的恒星R136a1，位在大麦哲伦星系的蜘蛛星云中，质量为215M⊙。

在LMC大麦哲伦星系的一个大恒星形成区中的R136星团

▲ 在LMC大麦哲伦星云的一个大恒星形成区中的R136星团

R136a1和其附近的恒星组成了一个高密度的星团，R136a1质量巨大，但是它的体积也非常大，直径相当于太阳的32.4倍，体积则相当于太阳的33000倍左右，也就是密度还没有太阳大。预计寿命不会超过300万年。

R136a1、太阳、蓝矮星的体积对比示意图

▲R136a1、太阳、蓝矮星的体积对比示意图

但对于恒星质量的上限，目前理论研究和实际观测仍不一致，主要是理论极限值小于观测值。爱丁顿从理论上研究恒星内部结构，提出恒星内部是高温的等离子气体，相当于理想气体，恒星是由核聚变向外的辐射压抵消向内的引力维持平衡的观点并得到天文学届公认。爱丁顿爵士认为：恒星由引力凝聚，引力大小和核心温度都由质量决定。

恒星质量过大会导致恒星极其不稳定。质量越大核心温度越高，核聚变就越剧烈，核聚变的辐射压和其质量造成的引力就越难以平衡。辐射压造成恒星物质流失速度很快，核聚变失控足以将恒星炸裂造城超新星爆炸而解体，大部分恒星物质都被炸飞，即使能幸运地留下一个核心残骸，其质量只要超过钱德拉塞卡极限或奥本海默极限就会坍缩成中子星和黑洞。这就导致恒星的亮度必然有个极限称“爱丁顿极限”（Eddington limit），制约了恒星质量的上限。天文学家计算显示是150M⊙（一些复杂计算模型的上限可以到200M⊙）。而目前已观测到的质量最大的恒星却远远超过这个限值，令科学家的眼镜碎了一地，对此，科学家只能解释为这是两颗及以上恒星合并而成。

英国天体物理学家，数学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿爵士

▲ 英国天体物理学家，数学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿爵士（Arthur Stanley Eddington，1882年12月28日-1944年11月22日）

恒星核心核聚变产生的能量，要从内向外喷射出来，这个过程要克服恒星内部物质的阻力，必然被恒星内部物质先吸收，转化为原子的动能，速度可以高达每秒数千直至数万公里，原子之间也会激烈碰撞，表现为内核的核能不断转化为恒星内部的原子动能克服恒星的引力束缚向外冲击，这样就使得恒星体积变大。

如果恒星的质量太大，内部核聚变导致向外的辐射压也会十分强烈，通过辐射的散热速度比不上能量产生速度，这样其内核产生的大量能量将向外爆发，转化成物质的动能传递到恒星的外层后仍然十分巨大，就会使得恒星外层的物质达到逃逸速度，表现为恒星的外层被内部辐射压抛掉，因此，恒星质量越大，内核核聚变越剧烈，恒星向外抛射物质越多。恒星质量损失越快。

天文学家人为，R136a1至少已经抛出了50个太阳质量。

尽管如此，艾丁顿极限仍然有着很高的参考价值。天文观测中也发现，质量超过150M⊙的恒星都很不稳定。只是单独用一个数值的爱丁顿极限来衡量所有的恒星不够科学。

每颗恒星自身情况都不相同，如其自身元素构成、内部结构、所在的空间环境、周围星体的影响等等，对恒星的质量上限可能都有影响。

无论如何，大质量恒星的形成和演化，目前科学理论还需进一步完善。

（五）. 恒星的寿命——

恒星靠巨大的引力压和高温引发恒星核心物质的核聚变，而构成恒星物质的有限决定了恒星寿命的有限。一旦核心的核反应殆尽，恒星的生命就走向尽头。

恒星寿命是以质量来确定的，质量越小，寿命越长；质量越大寿命越短。最大质量恒星寿命只有几百万年，像目前质量第二大恒星R136a1寿命只有300万年，现在已经170万年了。而最小质量恒星寿命超过万亿年甚至兆亿年。这是因为恒星质量越大，核心压力和温度越高，核反应就越激烈，燃烧得就越快，反之就越慢。目前认为，恒星的寿命和其质量的 2.5 次方成反比。

（六）. 恒星的主要演化规律——

恒星从诞生到尽头，称为恒星演化过程。

由于万有引力控制，恒星演化的总趋势是核心密度增大，质量丢失（恒星风损失或伴星吸积）、破碎、爆炸等使其质量变小。

宇宙中任何天体物质都受万有引力定律约束，定律表达式为：F=GMm/r²。

恒星是由于星云受到某种触发机制引发了星云微粒之间的引力相互作用，向星云中心越来越紧密聚集，理论上，任何物质会由于万有引力越来聚拢，越来越紧密，并且一直坍缩下去，直到有一个能抵抗万有引力的力达到平衡态。恒星质量巨大，自身引力压巨大，具有一直坍缩的态势。但核心在高温高压下引发了核聚变，巨大的辐射压与恒星自身的引力压达到一个平衡。

恒星演化到衰退期，核心核聚变能量耗尽，没有了辐射压抵抗恒星自身引力压，恒星在自身引力作用下，外围物质就会急遽向中心坍缩。这时物质微观粒子的简并压就启动了，这种简并压抵抗着恒星残留核心的引力压，就会形成一个暂时稳定的白矮星或中子星。

恒星质量的不同，导致其不同的演化过程，和不同的结局。死去的恒星残骸（也可叫尸骸）大致有4种：即黑矮星、白矮星、中子星、黑洞。

这四种一个比一个厉害，黑洞是顶级老大，一切通吃，就连中子星和质量最大恒星也不会放过。不过黑洞的无限引力范围（史瓦西半径）是与质量成正比的，只要不进入其极端引力范围，还是暂时安全的。

一般认为，质量在0.5M⊙（1M⊙=1倍太阳质量，下同）到8M⊙的恒星经由红巨星爆发后，如果核心残骸质量不足1.44M⊙，会坍缩成白矮星，质量约为0.2M-1.44M⊙；而8M-30M⊙的恒星经由红超巨星及超新星大爆炸后，如果核心残骸质量是1.44M 到3M⊙（有的认为是3.2M），会坍缩成一颗中子星。这两种致密天体都是由“量子简并压”支撑自身巨大的引力压而存在。

恒星演化的一般进程可以概括如下：

巨分子云→原恒星→主序前星（诞生）→主序星→主序后（老年）→死亡→遗迹

主星序后和恒星结局概括如下（不含红矮星）

1.残骸质量小于1.44M⊙→行星状星云+白矮星→或冷却成黑矮星，或吸积合并成为中子星/黑洞（根据质量）

2.残骸质量介于1.44M-3.2M⊙→星云+中子星→或冷却成黑矮星，或经吸积或合并质量达到3.2M，成为黑洞

3.残骸质量大于3.2M⊙→黑洞

红超巨星和红特超巨星的演化结局→超新星爆发

1.完全爆炸后没有留下核心残骸，弥散成星云遗迹

2.残留一个核心，核心坍缩成中子星或黑洞（根据残留质量）

▲ 主序星后恒星的演化路径

恒星的生命周期演化进程图示（图片来源：By R.N. Bailey, via Wikimedia Commons; Translated by 傅煜铭）

▲ 恒星的生命周期演化进程图示（图片来源：By R.N. Bailey, via Wikimedia Commons; Translated by 傅煜铭）

（七）. 恒星的内部结构（主星序阶段）

恒星的内部结构示意图（主序星）

▲ 恒星的内部结构示意图（主序星）

恒星内部结构的研究始于莱恩，1916～1926年是恒星内部结构理论发展的重要阶段，其中大部分工作由英国天文学家爱丁顿爵士完成，1926年他首次出版了《恒星的内部结构》一书。他首次指出，在恒星内部，能量由内向外转移主要不是靠对流而是靠辐射，他用辐射平衡取代对流平衡以建立研究恒星内部结构的方程组。从这些方程组出发，他得到了与观测符合的恒星的质光关系。

恒星内部结构主要由它的质量﹑化学成分和演化阶段（即年龄）来决定。恒星内部结构和它的中心温度、密度和化学成分决定恒星中心以哪种热核反应起主导作用，而一旦新的热核反应发生，又转而影响甚至决定恒星的结构和演化。此外，还可以就不同元素氢﹑氦﹑碳﹑氧等燃烧阶段来讨论恒星的内部结构。

在主星序阶段的恒星的内部结构主要由质量来决定。是相当稳定的、对称的炽热气体球结构，处于流体静力学平衡状态，分为多层，每层均匀一致。它的中央有一个能够进行核反应的核心，成为恒星能量的来源。恒星内部的物质，越向中心密度越高，温度也越高。核心外面是辐射层、光球层、对流层、色球层和星冕。

主星序阶段，质量大于 1.70M⊙的恒星，外部对流层（见太阳对流层）的影响可以忽略不计，可看作完全是辐射层，而中心部分有对流核心。

质量在0.8～1.7M⊙范围内的恒星，外部有相当大的对流层，而中心部分的对流核心随质量的减小而减小。太阳内部从对流层底层到中心完全是辐射层。这和产能方式有关。

质量大于 2M⊙的大质量恒星，产能机制主要是碳氮循环，产能率和温度的高次方成正比。中心温度高，温度梯度高，导致对流。

质量小于0.8M的恒星计算结果较少，一般认为外部的对流层向内深入。

对于0.64M的恒星﹐外部对流层厚度可达半径的1/3。

对于0.08～0.27M的恒星，对流层可以一直延伸到中心。

红矮星和黄矮星的内部结构图

▲ 红矮星和黄矮星的内部结构图

上图左侧是红矮星内部结构，从恒星内核的聚变区域到外部对流包层中都是对流层，所有的氢元素核聚变后产生的“灰烬”氦元素可以对流到恒星其他区域，其他区域的氢元素也可以对流到内核进行聚变，氦不会堆积，氢元素利用率极高，因此红矮星的寿命非常长，在这个过程中也不会有氦闪和红巨星阶段出现，因为它的燃烧始终如一，直到氢元素耗尽！

上图右侧黄矮星的内部结构，从内核聚变区域到接近表面的对流层之间有一个辐射层，氢元素聚变后氦元素被辐射层阻挡，堆积在内核无法交换到表面，但因太阳的内核温度不够并无法聚变氦，但随着氢元素耗尽，辐射压降低，外层巨大的压力下会导致内核温度上升达到氦元素聚变的条件，此时氦元素会突然聚变，产生类似爆炸效果，将外壳大量物质抛射到宇宙空间，这就是氦闪！在太阳的晚年红巨星阶段，氦闪将会发生多次，每次氦闪之后太阳的直径都会增加不少！

太阳的光度变化曲线图-恒星的氦闪

▲ 太阳的光度变化曲线图-恒星的氦闪

上图是太阳的光度变化曲线，峰值即是氦闪的时刻，除了第一次之后会有比较长时间的低谷以外，在往后越越来越频繁，直到最后一次之后抛去气壳成为一颗白矮星！

Pi-1_Gruis_VLTI是天鹤座的一颗红巨星，质量为1.5M⊙，已膨胀到太阳的350倍，我们根据这个模型来计算太阳未来膨胀的规模。球体积公式V=4/3πR3，假设Pi-1体积为太阳红巨星的1.5倍，太阳半径增加305倍，139.2亿公里*305=4.26亿公里，半径2.13亿公里，基本到达火星轨道。