恆星演化
恆星在生命過程中所經歷急遽變化的序列
恆星演化是恆星在生命過程中所經歷急遽變化的序列。恆星依據質量，一生的範圍從質量最大的恆星只有幾百萬年，到質量最小的恆星比宇宙年齡還要長的數兆億年。所有的恆星都從通常被稱為星雲或分子云的氣體和塵埃坍縮中誕生。在幾百萬年的過程中，原恆星達到平衡的狀態，安頓下來成為所謂的主序星。恆星大部分的生命期都在以核聚變產生能量的狀態。
最初，主序星在核心將氫融合成氦來產生能量，然後，氦原子核在核心中佔了優勢。像太陽這樣的恆星會從核心開始以一層一層的球殼將氫融合成氦。這個過程會使恆星的大小逐漸增加，通過次巨星的階段，直到達到紅巨星的狀態。質量不少於太陽一半的恆星也可以經由將核心的氫融合成氦來產生能量，質量更重的恆星可以依序以同心圓產生質量更重的元素。
像太陽這樣的恆星用盡了核心的燃料之後，其核心會塌縮成為緻密的白矮星，並且外層會被驅離成為行星狀星雲。質量大約是太陽的10倍或更重的恆星，在它缺乏活力的鐵核塌縮成為密度非常高的中子星或黑洞時會爆炸成為超新星。雖然宇宙的年齡還不足以讓質量最低的紅矮星演化到它們生命的尾端，恆星模型認為它們在耗盡核心的氫燃料前會逐漸變亮和變熱，然後成為低質量的白矮星。
恆星的變化非常緩慢，甚至數個世紀之久也檢測不出任何變化，所以單獨觀察一顆恆星無法研究恆星如何演化。因此，天文物理學家藉其他替代方法，例如觀察許多在不同生命階段的恆星，並且使用電腦模擬來推斷恆星結構。
恆星演化
由於引力的控制，恆星演化的總趨勢是密度增大（在圖中向下移動），而質量丟失、碎裂、不穩定或爆炸等現象使其質量減小（在圖中向左移動）。恆星的演化必定以三種可能的冷態之一為終結：白矮星，中子星，黑洞。
恆星演化論，是天文學中，關於恆星在其生命期內演化的理論。
由於單一恆星之演化通常長達數十億年，人類不可能完整觀測，目前以計算機模型模擬恆星的演變。
恆星的演化開始於巨分子云。一個星系中大多數虛空的密度是每立方厘米大約0.1到1個原子，但是巨分子云的密度是每立方厘米數百萬個原子。一個巨分子云包含數十萬到數千萬個太陽質量，直徑為50到300光年。在巨分子云環繞星系旋轉時，一些事件可能造成它的引力坍縮。巨分子云可能互相衝撞，或者穿越旋臂的稠密部分。鄰近的超新星爆發拋出的高速物質也可能是觸發因素之一。最後，星系碰撞造成的星雲壓縮和擾動也可能形成大量恆星。
坍縮過程中的角動量守恆會造成巨分子云碎片不斷分解為更小的片斷。質量少於約50太陽質量的碎片會形成恆星。在這個過程中，氣體被釋放的勢能所加熱，而角動量守恆也會造成星雲開始產生自轉之後形成原始星。
恆星形成的初始階段幾乎完全被密集的星雲氣體和灰塵所掩蓋。通常，正在產生恆星的星源會通過在四周光亮的氣體雲上造成陰影而被觀測到，這被稱為博克球狀體。
質量非常小（小於0.08太陽質量）的原始星的溫度不會到達足夠開始核聚變的程度，它們會成為褐矮星，在數億年的時光中慢慢變涼。大部分的質量更高的原始星的中心溫度會達到一千萬開氏度，這時氫會開始聚變成氦，恆星開始自行發光。核心的核聚變會產生足夠的能量停止引力坍縮，達到一個靜態平衡。恆星從此進入一個相對穩定的階段。如果恆星附近仍有殘留巨分子云碎片，那麼這些碎片可能會在一個更小的尺度上繼續坍縮，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恆星足夠接近，那麼可能形成雙星和多星系統。
成年期時形成主序星
恆星有不同的顏色和大小。從高熱的藍色到冷卻的紅色，從0.5到20個太陽質量。恆星的亮度和顏色依賴於其表面溫度，而表面溫度則依賴於恆星的質量。大質量的恆星需要比較多的能量來抵抗對外殼的引力，燃燒氫的速度也快得多。
恆星形成之後會落在赫羅圖的主星序的特定點上。小而冷的紅矮星會緩慢地燃燒氫，可能在此序列上停留數千億年，而大而熱的超巨星會在僅僅幾百萬年之後就離開主星序。像太陽這樣的中等恆星會在此序列上停留一百億年。太陽也位於主星序上，被認為是處於中年期。在恆星燃燒完核心中的氫之後，就會離開主星序。
中年期時形成紅巨星，超巨星。
在形成幾百萬到幾千億年之後，恆星會消耗完核心中的氫。大質量的恆星會比小質量的恆星更快消耗完核心的氫。在消耗完核心中的氫之後，核心部分的核反應會停止，而留下一個氦核。失去了抵抗重力的核反應能量之後，恆星的外殼開始引力坍縮。核心的溫度和壓力像恆星形成過程中一樣升高，但是在一個更高的層次上。一旦核心的溫度達到了1億開氏度，核心就開始進行氦聚變，重新通過核聚變產生能量來抵抗引力。恆星質量不足以產生氦聚變 釋放熱能，逐漸冷卻，成為白矮星。
恆星演化
積熱的核心會造成恆星大幅膨脹，達到在其主星序階段的數百倍大小，成為紅巨星。紅巨星階段會持續數百萬年，但是大部分紅巨星都是變星，不如主序星穩定。
恆星的下一步演化再一次由恆星的質量決定。
晚年到死亡以三種可能的冷態之一為終結：白矮星，中子星，黑洞。
低質量恆星
恆星演化
但是小於0.5倍太陽質量的恆星甚至在氫耗盡之後都不會在核心產生氦反應。像比鄰星這樣的紅矮星的壽命長達數千億年，在核心的反應終止之後，紅矮星在電磁波的紅外線和微波波段逐漸暗淡下去。
中等質量恆星
達到紅巨星階段時，0.4到3.4太陽質量的恆星的外殼會向外膨脹，而核心向內壓縮，產生將氦聚變成碳的核反應。聚變會重新產生能量，暫時緩解恆星的死亡過程。對於太陽大小的恆星，此過程大約持續十億年。
氦燃燒對溫度極其敏感，造成很大的不穩定。巨大的波動會使得外殼獲得足夠的動能脫離恆星，成為行星狀星雲。行星狀星雲中心留下的核心會逐漸冷卻，成為小而緻密的白矮星，通常具有0.6倍太陽質量，但是只有一個地球大小。
在重力和電子互斥力平衡時，白矮星是相對穩定的。在沒有能量來源的情況下，恆星在漫長的歲月中釋放出剩餘的能量，逐漸暗淡下去。最終，釋放完能量的白矮星會成為黑矮星。
恆星演化
大質量恆星
在超出5倍太陽質量的恆星的外殼膨脹成為紅超巨星之後，其核心開始被重力壓縮，溫度和密度的上升會觸發一系列聚變反應。這些聚變反應會生成越來越重的元素，產生的能量會暫時延緩恆星的坍縮。
最終，聚變逐步到達元素周期表的下層，硅開始聚合成鐵。在這之前，恆星通過這些核聚變獲得能量，但是鐵不能通過聚變釋放能量，相反，鐵聚變需要吸收能量。這會造成沒有能量來對抗重力，而核心幾乎立刻產生坍縮。
恆星演化的下一步演化機制並不明確，但是這會在幾分之一秒內造成一次劇烈的超新星爆發。和輕於鐵的元素同時被拋出的中微子形成一個衝擊波，在被拋出的物質吸收后，形成一些比鐵重的放射性元素，其中最重的是鈾。超新星爆發，是形成相對分子質量比鐵大的元素的另一途徑。（重元素最主要的來源被認為是宇宙大爆炸）
中微子衝擊波繼續將被拋出的物質推出。被拋出的物質可能和彗星帶碰撞，可能形成新的恆星、行星和衛星，或者成為各種各樣的天體。
現代科學尚未明確超新星爆發的機制，以及恆星殘骸的成分，但是已知有兩種可能的演化終點：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，和質子結合成為中子。使得原子核互相排斥的電磁力消失之後，恆星成為一團密集的中子。這樣的恆星被稱為中子星。
質量要求：塌縮的內核質量超過1.44倍太陽的質量，小於3.2倍太陽的質量(奧本海默極限）。
中子星的大小不超過一個大城市，但是極其緻密。由於大部分角動量殘留在恆星中，它們的自轉會極快，有些甚至達到每秒鐘600轉。恆星的輻射會被磁場局限在磁軸附近，而隨恆星旋轉。如果磁軸在自轉中會對準地球，那麼在地球上每次自轉過程中都可能觀測到一次恆星的輻射。這樣的中子星被稱為脈衝星，是最早被發現的中子星。
黑洞
被廣泛承認的是並非所有超新星都會形成中子星。如果恆星質量足夠大，那麼連中子也會被壓碎，直到恆星的半徑小於史瓦西半徑，光也無法射出，成為一個黑洞。
質量要求：塌縮的內核質量超過3.2倍太陽的質量（大於奧本海默極限)。
斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）結合廣義相對論和量子力學預測了黑洞的存在。在多年來天文學家的努力下，成功觀測到了行星不明引力場的影響而改變軌跡，從而可以推論黑洞的存在。根據傳統的廣義相對論，沒有任何物質或者信息可以從黑洞中逃出，但是量子力學允許一些例外（在特定條件下物質發生"Tunnel"現象，物質能夠通過一條假想的隧道穿過障礙）。黑洞的存在被絕大部分天文學家支持。
但是仍有一些問題尚待解決。當前的超新星爆發理論尚未完善，不能說明是否恆星可能壓縮成為黑洞而不經過超新星爆發，是否有超新星形成的黑洞，以及恆星的初始質量和演化終點的關係。
20世紀30年代，物理學家從理論上發現，原子核反應會產生巨大的能量。用這種理論來研究太陽的能源，發現太陽的能源正好可以用核反應來解釋。
各種年齡的恆星內部發生著各種熱核反應；恆星演化過程中會發生一系列熱核反應，輕元素逐漸向重元素轉化，逐漸改變恆星的成分，改變恆星的內部狀態。並且，發生這些熱核反應所需要的溫度也越來越高。
恆星內部熱核反應所產生的能量以對流、傳導和輻射三種方式傳輸出來。由於大多數恆星的物質是氣態的，熱傳導作用不大，只有內部極其緻密的特殊恆星（例如白矮星），內部熱傳導才比較顯著。大多數恆星內部主要依靠輻射來傳輸核反應產生的能量，傳輸的速度相當慢，例如太陽把它深達70萬千米的中心處的能量傳輸到表面，需要1000萬年。對流傳輸能量的速度比輻射快得多，但是不同質量的恆星，對流層的位置和厚度很不一樣。主星序左上部的恆星，質量大，中心區是小的對流核，外面是輻射包層。主星序中下部的恆星，質量較小，內部輻射層很厚，僅表面有較薄的對流層。主星序右下部的恆星，質量很小，整個恆星是對流的。恆星內部產生的能量決定了它的表面溫度和光度。物理定律把恆星內部的運動、能量的產生、能量的傳遞和消耗與它的溫度、壓力、密度、成分等因素聯繫了起來。其中一個因素的變化會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，說明各種因素如何協調地變化。
按照天體的質量和化學成分，運用物理定律，可以計算出不同時間的內部結構，即從恆星中心到表面各層的溫度、密度、壓力、能流及恆星輻射的總光度和表面溫度等物理量，從而可以確定恆星在赫羅圖上的位置；這樣還可以得出恆星的結構與物理參量隨時間的變化情況，這樣也就得出了恆星演化的過程，也就可以看出恆星在赫羅圖上位置移動。這就是研究恆星演化的基該方法。
把核反應理論應用於恆星演化，計算的結果正好符合觀測的數據，證明了這種理論及其應用的正確性。於是，恆星演化理論開始發展了起來。
錢德拉塞卡
20世紀20年代初，英國天文學家愛丁頓（A.S.Eddington，1882－1944）通過研究認為：恆星在演化後期內部燃料即將耗盡，所產生的能量不足以抵消星體內部物質間的引力，於是體積收縮、密度增大，演化為質密的白矮星。1925年，天文學家在觀測中發現了第一顆白矮星。
1939年，美國物理學家奧本海默（R.Oppenheim，1904－1967）提出：質量很大的恆星由於其引力的巨大，將使它的最後歸宿不是白矮星，它會繼續收縮，原子和原子核均被擠碎，帶正電的質子與帶負電的電子在強大引力作用下被結合成中性的中子，龐大星體收縮成為體積極小、質量和密度極大的小球——中子星。同年，印度裔美國天文學家錢德拉塞卡（S.Chandrasekhar，1910－1995）預言：質量小於太陽1.44倍的恆星將會演化為白矮星；質量大於太陽1.44倍的恆星或是以大爆發的形式拋掉部分質量后演化為白矮星，或是繼續收縮，經超新星爆發演化為密度更高的中子星或黑洞。
1967年，英國射電天文學家赫威斯（A.Hewish，1924－）和他的研究生貝爾（J.Bell，1943～）發現了第一顆中子星。
20世紀50年代，美國天文學家史瓦西（M. Schwarzschild，1912－）預言：超大質量恆星爆發后不斷收縮，當它的引力強到足以使光都不能外逸時，就會成為“黑洞”。1974年，英國理論物理學家霍金（S. Hawking，1942－2018）證明：黑洞中將產生正反粒子對，其中的正能粒子會逸出，形成黑洞“蒸發”的現象。據此，天文學家們如今已發現了幾個可能是黑洞的天體，但尚無法徹底證實。
人類對恆星演化過程的研究目前尚未完成，探索還將不斷繼續下去。
基本信息
- 中文名
- 恆星演化
- 外文名
- stellar evolution
- 定義
- 恆星誕生，成長成熟到衰老死亡
- 總趨勢
- 密度增大
- 終態
- 白矮星，中子星，黑洞
- 本質
- 恆星在其生命期內演化的理論
- 領域
- 天文學