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恒星的演化过程如何？
超新星爆发以后，相当多的物质重新转化为星际物质，这表面上看来是简单的循环，但是实际上经过一系列核反应以及超新星爆发，比较轻的元素已经合成了重元素，因此在从星际物质形成恒星，而又重返星际物质的时候，重元素的成分就增高了，所以这个过程不是简单的循环和重复，而是新的条件下出现形式上相同、实质上不同的一个发展阶段，是一个否定之否定的辨证发展过程。
恒星演化的研究是从赫罗图开始的。
现在我们回过头来再看看赫罗图，首先我们来看一个像太阳这样的恒星在赫罗图上的演化途径。
在这张图上，圆圈的大小表示恒星的大小，乍看起来，这张图似乎和原来观测到的图并不一致，它的演化路径并不是观测得到的赫罗图上的某一序列，但是我们应该注意，这里的恒星演化路径是对于一个恒星画出的。
把各种不同的星都画上去，情形就不同了。
初始质量不同的星，在赫罗图上的途径和进程是不一样的。
更重要的是，某一种星，在某一阶段也就是赫罗图上某一区域停留时间越长，我们看到这一区域的星便越多。
这就像在展览馆里，人们总是在那些大家感兴趣的展品附近停留时间长，前进速度慢，正是在这些地方人最多，不就是这个道理吗?如果我们画出各种不同初始质量恒星的演化路径，并且用线的粗细来表示停留时间的长短，也就是这种星出现的多少，再来观看这幅图的全局，那正是根据观测得到的赫罗图的样子，所以恒星演化理论完全符合观测的结果。
恒星演化理论是建立在现代物理学的坚实的理论基础之上的科学结果，它的发展是十分迅速的。
在30年代，原子核反应理论的建立就已经突破了难关。
但是由于它需要进行大量的数值计算，在理论体系形成以后，有一段时间，劳动是繁重艰苦的，进展是困难缓慢的。
只是到了50年代和60年代，快速电子计算机的出现，大大加速了它的发展，现在恒星演化理论已经发展成为成熟的理论。
同太阳系起源和演化的研究相比，恒星演化理论的发展迅速而且顺利得多。
为什么竟然对于遥远的恒星比我们自己所在的太阳系的认识反倒更快得多呢?最根本的一条就是，太阳系只有一个，而恒星却有千千万万。
我们可以同时观测到处在不同演化阶段的恒星，看到恒星一生的全过程，空间的广阔弥补了时间的短暂!
不过，恒星演化的探讨并没有完结。
恒星自转和内部物质对流对恒星演化细节的影响还需要仔细考虑；密近双星间的物质交流演化进程有什么作用还在研究之中；红巨星以后的晚期过程还只是描绘了一个粗糙的轮廓，细节的计算需要用未来的更大型的电子计算机才能完成；黑洞仍在寻找之中，而且近20年来，射电天文学和空间天文学的兴起，使各种新类型的天体不断涌现，必然要提出许多的新问题，对于这些新问题的研究，将更大地丰富我们对于恒星演化的知识。
大质量恒星的演化，在哪些方面与太阳类似，又有哪些不同？
大质量恒星的标准：质量超过太阳质量7-8倍及以上的恒星。
在星际空间里存在着许多稀薄的物质，主要是气体和尘埃，逐渐它们形成星云，星云中主要的物质是氢，其次是氦等。
图1.大质量恒星的生命史 随着外界扰动的推进，星云会逐步向内收缩并且分裂成更小的团块。
这样的过程经历几次后，就会形成很多致密、密度巨大的核。
由于密度巨大且能量巨大，这些核会逐步升温，而核的内部逐渐发生核聚变，没有大的变动的话，恒星就算诞生了。
图2.恒星表面温度和光度的关系 而恒星内部核聚变成为主要能源发展阶段的时候，就是恒星的主序阶段了。
处于主序阶段的恒星，叫做主序星，相对稳定。
质量在太阳质量7-8倍及以上的，会逐步进入红超巨星阶段。
反之，会进入红巨星阶段。
图3.红巨星生命史过程中亮度和表面温度的关系 因为恒星膨胀，能量分布密度也就随之下降。
但红超巨星的半径和红巨星的差距进一步增大，就导致红巨星的表面温度下降的幅度也远不如红超巨星。
能量密度下降幅度没有那么大，就导致红巨星光度急剧增加，而红超巨星并不会。
图4.大质量恒星和中小质量恒星生命史异同 大个头还是更沉稳一些，嗯。
大质量的恒星，会逐步形成轻质量元素在外、重质量元素在内的结构，核心主要是铁。
再往后，核反应的速度就大幅度下降了，这就导致大质量恒星的铁核会向内坍塌，外层部分被向外抛射。
这个过程时间短暂，但能量巨大，我们称之为超新星爆发过程。
爆发后，膨胀的星云会逐步形成新一代恒星的原材料。
而小质量恒星就不同了，会逐步坍缩和暗淡，直至死亡。
大约45.9亿年前，一团氢分子云迅速坍塌，形成了金牛座T星，这边是太阳的襁褓阶段。
因为太阳是黄矮星，按照计算，寿命大约在100亿年-115亿年，所以目前的太阳正处于壮年时期。
而根据超级计算机的计算结果看，太阳在红巨星阶段大约会有10亿年时间，根据第2条里提及的理论，太阳的表面光度会大幅度提升，可能会有如今的几十到上百倍。
恒星是依靠自身核聚变可以发热发光的天体（多指恒星的主序星阶段），不过由于恒星的质量大小不一，恒星自身的演化过程也很不相同。
根据自身质量的不同，恒星又可以分为很多种类，质量在太阳质量的8%到50%之间的恒星是红矮星，这是恒星的质量最小的一类，发光发热都不强，我们在地球上无法用肉眼看到任何一颗红矮星；质量在太阳的50%到80%的恒星是橙矮星，这类恒星发出的光辐射也不强，基本上也无法用肉眼看到；像我们的太阳这样的，质量在太阳的80%到140%的恒星是黄矮星，我们用肉眼能看到的夜空中的黄矮星也非常有限；以黄矮星更大一些的是蓝矮星，更大的还有巨星、超巨星和特超巨星，它们的演化方式和最终结果都是不一样的。
红矮星和橙矮星由于质量较小，内部的氢核聚变相对比较温和，因此这类星体的主序星阶段都比较长，有的红矮星寿命甚至长达万亿年，橙矮星也可以长达几百亿年，当它们内部的氢核聚变结束之后，基本上表现为一个渐渐熄灭的过程，内部也不会形成白矮星之类的天体，当其冷却下来之后，会直接形成一颗黑矮星。
像太阳这样的黄矮星，以及天狼星这样的蓝矮星，当内部的氢元素聚变燃烧得差不多的时候会发生氦闪现象，其外层物质开始向外扩散成为红巨星或者黄巨星，当其主序星阶段之后，其核心位置会形成一颗白矮星，白矮星体积不大，只有地球这么大，不过密度很高，一立方厘米的质量在100公斤到10吨之间，总质量和太阳的质量差不多，由于白矮星不再进行核聚变，所以起温度会慢慢下降，最终会成为一颗黑矮星，不过这个降温过程会长达200亿年，因此无论是红矮星和橙矮星还是黄矮星与蓝矮星，其形成黑矮星的时间都要比宇宙的年龄138亿还长，所以天文学家认为宇宙中至今还没有形成一颗黑矮星。
原始质量在太阳的8到30倍的恒星，在主序星阶段的末期会发生超新星爆发，这一时刻恒星会变得非常明亮，多数会超过整个星系的亮度，之后星体的核心形成一颗中子星，中子星的体积很小，通常只在8-30公里之间，但它的密度比白矮星更大，每立方厘米的质量约在8000万到20亿吨之间。
原始质量大于太阳30倍的恒星，到了主序星阶段的末期，也会发生超新星爆发，但是它并不会形成中子星，而是会形成黑洞，黑洞的质量通常在太阳的三倍以上。
不管大小恒星的生成都是起源于一坨巨大的分子云。
分子云本身的引力会导致从弥漫状态渐渐向中心聚集，如果受到天体事件的扰动，比如超新星大爆炸、天体大碰撞等引力波的扰动，这种聚集就会加快。
随着收缩越来越紧密，中心的压力会越来越大，温度越来越高，中心的引力会越来越大，坍缩的速度成数量级加快，终于温度和压力达到了临界点，引发了这坨收缩越来越紧密巨大分子云中心的氢核聚变，一个恒星胚就诞生了。
这种中心核聚变的膨胀张力与引力巨大的压力相抗衡，会有一段拉扯过程，最终这个恒星内部的核聚变当量会与恒星的质量压力取得一个平衡，这个恒星的主序星阶段就形成了。
所有恒星的形成都大致如此。
恒星的主序星阶段最长，约占恒星寿命的90%时间段。
恒星质量应该符合一定的范围，质量太大或太小都无法成为恒星。
最小的恒星质量应大于太阳质量的7%，达不到这个质量，中心引力压力不足以引发核聚变，所以形成不了恒星；最大的恒星质量不超过300个太阳质量，质量太大，中心核聚变的张力和收缩的压力就很难取得平衡，恒星很难稳定下来，中心的引力抓不住外围的气体物质，质量会损失很快。
恒星的寿命与质量成反比，质量越大的恒星寿命越短，比如目前已知最大质量的恒星叫r136a1，是太阳质量的265倍，寿命只有300万年，现在已经170万岁了，还有约130万年就会寿终正寝。
我们太阳是一颗黄矮星，像太阳这样质量的恒星寿命一般在100亿年左右；而比太阳小的红矮星一般都有几百亿年到上万亿年的寿命，由于它们寿命特长，至今在宇宙中还没有发现任何垂死的红矮星。
太阳现在的年龄约50亿岁，再过约50亿年就会寿终正寝。
届时太阳中心的氢元素消耗殆尽，全部聚变成了氦，氢核聚变停止，维持压力平衡的核聚变张力消失，外围的巨大压力开始急剧向中心挤压，巨大的压力导致了氦核的聚变。
这时中心热力膨胀力大大增大，巨大的热力催动了外围的气体膨胀，太阳变成一个红巨星，半径扩大了200~300倍，吞噬了水星和金星，地球或被吞噬或被烤焦。
最后，中心所有的氦都聚变成了碳，聚变停止，中心急剧收缩，成为了一个只有地球大小的白矮星，重力达到每立方厘米1~10吨。
这时的引力已经不足以聚集外围的气体，这些外围的气体就渐渐飘散到太空，成为新的星云。
硝烟散尽，一个白色炽热小小的白矮星出现在深邃黑暗的太空中，然后慢慢冷却变成一个黑矮星。
比太阳质量大7倍以上的恒星，死亡后就会发生超新星大爆炸，中心残留部分会收缩为直径只有10~20千米的中子星；而大于太阳质量29倍的恒星死亡时超新星大爆炸后，中心残留部分会形成一个黑洞。
大质量天体会发生超新星大爆炸以及变成中子星或者黑洞，是因为在恒星中心完成氦核聚变成碳后，不会像太阳一样停止下来，由于其质量导致的巨大的压力，还会使核聚变一直轮换下去，一直到26号元素铁为止。
由于铁特别的稳定性，聚变就停止了，巨大的压力将外围物质以接近光速的速度向中心坍缩，遇到坚硬的铁壁被同样速率反弹回来，就发生了超新星大爆炸。
这个高压高温的瞬间，会聚变产生一些更重的元素，如金银等，人间财富就是这么来的。
当留下的质量大于1.4个太阳质量时，就会压缩成一个中子星。
中子星是处于中子简并态的特殊天体，中子简并压抵消掉了重力压力，所以就维持了星球的平衡。
如果大爆炸后遗留的质量大于太阳的2~3倍，中子简并压就无法抵消更大的引力压力，就会继续收缩，所有物质坍缩到史瓦西半径以内，就无限的向中心那个奇点坠落，最终成了一个黑洞。
而红矮星由于质量很小，不足以引发氢核聚变完成后的氦核聚变，就不会变成红巨星，而渐渐冷却成一个黑矮星~死星。
但红矮星的寿命很可能要超过宇宙寿命，它的死相如何，谁也看不到。
这就是不同质量恒星演化过程的相似点与不同点。
没研究过这种问题，但凭借一点粗浅的认识猜测一下。
相同的应该是前期过程，这里面应该是物质渐渐的聚集，等到引力足以导致核聚变开始释放能量的过程。
这里应该是过程相似。
不同的应该是两点： 1、大质量恒星应该是聚集得更快，因为引力大物质多，核反应也快，所以物质消耗也快。
2、大质量的恒星在后期有可能生成比较重的元素，等到铁元素开始参与聚变，就是这个恒星死亡的开始。
小质量的恒星可能无法生成较重的元素，消耗慢，可能以恒星状态存在时间更长。
个头大死得快。
主序星阶段恒星内部化学组成的变化
天体生物学·黄姤
在介绍“小质量恒星是如何演化的”内容之前，首先回答几个普遍性的问题：
「 恒星 」 是一个炽热的气体球，它能够长期地保持稳定，这意味着在恒星的内部通过热核反应产生能量，任何一个气体源都处于“热平衡”和“力平衡”的状态，同时改变了恒星自身的组成与结构，气体源所受到的“力”，其中一个最重要的就是“引力”，而引力总是要使得气体源向内运动的，为了保持气体源在原地静止，那么气体源需要一个向外的力，这个力来自于向外的气体压力，或者是辐射的压力，这就意味着这个气体源要具有很高的温度。
图解：“热平衡”和“力平衡”的状态
在恒星内部，特别是在核心区需要一个能源，这个能源就是“热核反应”，通过热核反应产生的热量向外面传输的过程中产生了一个气体压和辐射压，这个两个压力恰好和恒星内部的引力相抗衡，使得恒星能够保持一个稳定的状态，所以核反应是恒星得以生存的重要条件。
同时，核反应也不断地产生新元素，在形成新元素的过程中，恒星内部的结构、组成也相应地变化了，所以恒星的一生实际上是一部与引力做斗争的 历史 剧。
图解：核聚变反应的强度决定恒星的表面温度
在恒星内部产生的是核心氢的热核反应，称为“主序星”，因为它们在“赫罗图”上是位于主序带上面的，在主序星阶段，在恒星核心区所进行的是氢的原子核聚变成为氦原子核同时释放能量的过程，虽然恒星本身质量很大，但是实际上能够用来产生核反应的原料总质量大约只占核心区的1/10，所以要估计一个“主序星”能够维持的时间，可以采用以下的公式来进行计算。
通过计算就可以得到“主序星”能够维持的时间，譬如太阳以目前的光度或者以目前的核反应效率来进行核反应，那么太阳能够维持100亿年，所以对于太阳来说它的主序寿命可以长到100亿年，主序寿命实际上也在很大程度上反映了恒星的寿命，因为恒星在氢原子核发生热核反应所占有的时间，在它一生里面大约占据了90%左右，所以用主序寿命来表示恒星的寿命，估算太阳的寿命大约是100亿年的根据，实际上就是由于氢原子核维持核反应所需要的时间。
图解：通过计算得出太阳的寿命约是100亿年
对于不同质量的恒星，质量越大它内部进行的核反应就越快，它的能量输出就越高，所以能够维持的时间就越短，这就意味着恒星的寿命就越短。
图解：恒星质量与主序寿命示意图
在主序星阶段恒星内部化学组成的变化
在恒星刚刚诞生的时候，它从内到外化学成分是均匀的，氢大约占了70%，氦大约占了28%左右，但是随着恒星核心区域核反应的进行，氢的比例在逐渐地下降，而氦的比例在逐渐地上升，在恒星的核心区氢通过热核反应慢慢地变成了氦，如果在核心区域氢完全变成了氦，这个时候恒星的主序阶段就结束了，在这个核心区域没有氢可以再进行下一步的核反应了，所以恒星从这个时候开始脱离“主序”。
图解：恒星内部氢元素和氦元素成分比率的变化，横坐标是从恒星的核心到恒星的表面。
在“赫罗图”上可以画出太阳一生的变化轨迹，恒星沿着曲线 「 主序带 」 在变化，但是这种变化是有规律的，在主序阶段恒星基本上在这条主序带上发生一些变化，恒星在离开主序阶段之后，它的内部结构会发生变化。
恒星脱离了主序变成巨星阶段
随着核心氢的枯竭，氦核开始收缩，壳内的氢燃料起来了。
恒星开始向右偏移离开主序带向上攀升，这个过程称为“恒星脱离主序变成巨星的过程”，因为恒星的光度明显增加了，体积膨胀了，表面的温度降低，恒星脱离了主序变成巨星。
图解：横坐标是表面的温度，纵坐标是光度
在这个时候恒星的核心是没有进行核反应的，而恒星的内部区域是有进行核反应的，核心区域是前面在主序阶段通过氢热核聚变之后形成氦元素，所以这个时候核心氢已经枯竭了，但是氦的原子核要发生下一步的核反应需要更高的温度，所以恒星一时还达不到那样的条件，那就只能通过收缩的方式来提供它的热量。
收缩所产生的热量在氦原子核还没有核反应之前反而加热了周围的氢原子核而使得氢先开始了核反应，因此在这个时候是壳层的氢开始燃烧了，这个意味着恒星的核反应并不是发生在恒星最中心的区域，而是在包裹着恒星的壳层里面。
在这个区域里面，由于核反应释放的能量比在主序阶段更高，对应的温度也更高，所以恒星开始快速地向上攀升，把恒星变成了一个巨星。
核心氦平稳燃烧的阶段
氦核的收缩会不断地产生热量，会不断地加热恒星，当达到终于可以进行核反应的条件时候以后，氦原子核开始通过质变反应生成“碳原子核”，所以恒星进入了“核心氦平稳燃烧的阶段”，在这个过程中恒星的总体体积会发生收缩、表面温度会增加，因为体积变小了，根据「斯忒藩·玻耳兹曼定律」与恒星表面温度程反相关关系，所以反而增加了恒星表面的温度。
恒星在这个阶段内部是既有氦原子核在核心区的反应，也有在壳层氢原子核的反应，所在恒星是具有“双能源”供给的。
“双壳层”燃烧阶段
当氦原子核全部燃烧变成碳原子核之后，碳的燃烧需要更高的温度，而所以在恒星还没有进行核反应之前，核心的碳发生收缩的过程同样会加热恒星以及外围的区域，所以那些还没有完全变成碳的氦原子核先开始燃烧了，这个时候恒星具有“双壳层”燃烧。
凡是在壳层燃烧的阶段，恒星体积会再次膨胀，同时光度增加、表面温度降低，因此恒星又一次的到达了红巨星的阶段。
对于太阳来讲，到达了红巨星的顶点之后，由于碳核的燃烧需要的温度太高了，对于太阳这样的小质量恒星没有办法使得它满足这样的条件，所以实际上形成了碳或者一部分氧之后，恒星的核心区反应就再也不能进行了，恒星在双壳层燃料的时候会变得很不稳定，会发生脉动的现象，也就是发生膨胀和收缩，同时会有大量的星风物质从恒星的表面流失，这样会快速地把恒星包层剥离掉，于是恒星会剩下一个由碳氧构成的核，向外剥离掉的包层和外面的星际物质相互作用变成了一个“环形状星云”。
图解：沙普利一号环形状星云
在变成环形状星云之后，星云中心遗留下来的是“碳氧核”，这个碳氧核因为没有核反应了，所以它唯一能和引力相抗衡的是通过收缩来不断地释放能量，因此在这个过程里面它对着它的温度会迅速地上升，如果收缩产生的热量无法抵抗引力的话，它最终的结局可能会坍缩成一个“黑洞”。
由碳和氧构成的核心在收缩的过程中也有可能会变成一个特殊的天体“白矮星”，在它的内部电子变得简并了，所以简并所产生的压力可以和引力相抗衡，可以有一个稳定的星体的存在了，因此在白矮星内部的核反应也同样终止了，唯一能够做的就是通过冷却来产生辐射。
以上的三种就是恒星已经经历了或者将要经历的过程。
1.恒星通过内部核反应产生能量抗衡引力。
2.恒星在碳元素形成后核反应也相应地停止了，恒星最终会坍缩成“黑洞”或者“白矮星”。
作者：黄姤
探究恒星的活动现象必须要了解太阳内部的物理过程
恒星内部核燃烧的过程与核燃烧的物理过程
恒星的光度、温度、半径和质量与「主序星」物理量有很好的相关性
#大有学问##新作者扶植计划.第二期##科学燃计划#
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