恒星的起源与演化

银河系里有一千几百亿个恒星。每一个河外星云就是一个恒星系，都是由几百万至几千亿个恒星组成的，因此恒星的数目是无限多的。现代天文观测已证明新的恒星不断诞生，老的恒星不断衰亡，并转化成非恒星的物质。“一切天体都处于永久的产生和消亡中，处于不间断的流动中，处于无休止的运动和变化中。……”(《自然辩证法》，1971)。

关于恒星的起源有两种看法:一种认为，恒星是由某种超密态的巨大“星胎”爆发诞生的;另一种认为，是由稀薄的弥漫物质——星云逐渐收缩凝聚而成的。近年来恒星由星云转化而来的观点，已被广泛地接受。一些观测资料也提供了证据。例如在一些亮星云的背景上发现暗圆斑，密度介于星云和恒星之间，称为“球状体”。还发现一种名叫赫比格-阿罗的天体(又称“H．H天体”)，它是云状物质裹着一个类似恒星的核，是似云非云、似星非星的天体。或者说是亦此亦彼的恒星胚胎，正是由星云过渡为恒星的形态，是正在收缩还未开始发光的天体。

根据物理学原理，一切运动的基本形式都是接近和分离，收缩与膨胀。换言之，收缩与接近源于吸引，膨胀和分离源于排斥，这是一个古老的两极对立。热是排斥的一种形式，引力收缩是吸引的另一种形式。这就是说，排斥占优势的时候是能量的逸散，而吸引占优势的时候是能量的集中。按照恒星内部的吸引和排斥，即表现出来的收缩和膨胀的情况，可以将恒星的演化划分为以下4个阶段。

1．引力收缩阶段(幼年期)

该阶段属于恒星演化的幼年期。据观测得知，大自然中存在着一些质量为太阳质量0.5～20倍的中性氢云，其温度为10～100K(1K=272.15℃)，并有足够高的密度，不小于10－19g/cm3。这样的星云由于自身引力作用，各部分相互吸引而收缩。在收缩过程中，引力位能转化为热能，一部分向外辐射消耗掉，另一部分则使恒星内部温度升高。中性氢云，演化成电离氢云，经过恒星胚胎阶段，然后辐射红外线，形成肉眼看不见的红外星。当中心温度达到7×107K以上时，氢核聚变成氦核的热核反应使辐射加强，排斥因素增长，恒星停止收缩，进入新的稳定阶段。一个正常的恒星——主序星便形成了。质量小的星云收缩形成单个恒星;质量大的星云再碎裂收缩，形成几个、几十个乃至成千上万个星，随后演化成双星、聚星和星团。

2．主序星阶段(壮年期)

该阶段属于恒星演化的壮年期。恒星按颜色和光度可分为:O、B、A、F、G、K、M等类型。天文工作者已测定了大量恒星的光谱谱型和光度(绝对星等)。丹麦的赫茨普龙和美国的罗素，率先研究了恒星的光谱和光度的关系。他们选取恒星的光谱谱型作横坐标，以恒星的绝对星等作纵坐标。按照已知的每一颗恒星的光谱谱型和光度，在图中标出位置，所得出的图示称为“赫罗图”。

从赫罗图(图1-2)中可以看出恒星在图上的分布不是杂乱无章的，而是形成几个星数较密的序列。绝大多数恒星分布在从左上角到右下角的对角线上的狭窄带内，形成一个明显的从O型到M型的序列，称“主星序”。凡属主星序的星称为“主序星”。在主序星中，O、B、A型星质量大、温度高，发光本领强，呈蓝白色;K、M型星质量小、温度低，发光本领弱，呈红色;F、G型星则居中。恒星的温度愈高，光度也愈大，但在右上方有一组星，温度虽较低，但光度却强。这是由于它们的体积大，发光总面积大的缘故。这类星叫“红巨星”。还有一组光度更大，为太阳光度千倍以上的称为“超巨星”。在图左下角的一组星，它们的光谱属A型，表面温度高，发白光，但由于体积很小，发光的面积小，总光度就小，称为“白矮星”。太阳是一个光谱属G型，呈黄色，温度不太高的主序星。

图1-2 恒星的赫罗图

主序星是恒星演化过程中的一个重要阶段。恒星光谱类型的差异，取决于恒星质量的大小。如果原恒星的质量很大，达到太阳质量的20倍以上，则形成一颗光度极大、温度极高的发紫外光和蓝光的O、B型星;如果质量只有太阳的几倍，则形成中等发光能力，呈白色和黄色的A、F型星;质量和太阳差不多则成为和太阳一样黄色的G型星;小于太阳质量而大于0.07倍太阳质量的，则发红光，成为K、M型红矮星。

在主星序阶段，恒星主要靠氢核聚变为氦核，维持其存在和发展。因为恒星主要是由氢元素组成，氢氦聚变的过程，相对而言是比较缓慢的。此时，恒星由于热能辐射产生的热运动和排斥力与自身引力势均力敌，处于流体静力平衡的相对稳定阶段。这就是恒星发展过程中的壮年期。恒星在整个演化过程中，大部分时间都停留在这一阶段。所以银河系中90%的恒星都在这一序列之中。至于恒星在主星序停留时间的长短取决于恒星的质量。质量和光度大的恒星，内部温度高，热核反应速度快，氢消耗也快，作为一颗主序星的存在时间就短，约几百万年;相反的，质量小的恒星在此阶段停留较长，如M型、K型则可停留几千亿年至几万亿年。而像太阳这样的中等恒星可以在主星序停留100亿年。太阳作为一颗主星序成员，已经在主星序阶段度过了半生，估计还可以继续存在50亿年。

3．红巨星阶段(中年期)

该阶段属于恒星演化的中年期。由于恒星的温度和密度越向中心越大，因此由氢核聚变为氦核的热核反应在中心区进行得最快。中心区氢用到一定程度，就转为同温氦核心，而它的外围，氢氦热核反应继续进行。当中心区占总质量12%的氢用完时，恒星内部排斥和吸引的相对平衡与稳定就破坏了，又产生了新的矛盾。这时内部因辐射而产生的向外压力变弱，顶不住外层的压力，内部便开始收缩。因收缩而释放出来的一部分能量，则使恒星的外壳急剧膨胀，变成体积大、密度小、表面温度低但总亮度大的红巨星。太阳将来也会演变成红巨星，其直径将扩大到现在的250倍，把地球的轨道都包括进去。恒星内部收缩，部分位能转化成热能，当中心温度达1亿摄氏度以上时，就产生新的热核反应，3个氦原子核聚变为1个碳原子核，并释放能量。在反复变化过程中，温度越来越高，产生更重的化学元素氮、氧、氖、钙、钠、镁、硅、铁等。最后，当内部温度达到60亿摄氏度时，产生极强的中微子辐射，把大量能量带走，相对平衡再度破坏，抛失质量。质量大的恒星往往采取爆发形式，冲破外壳，发生大爆炸，这时恒星的光度突然增加几万倍到几亿倍，成为新星或超新星。

4．白矮星、中子星和黑洞阶段(晚年期)

该阶段属于恒星演化的晚年期。恒星演化的末期将出现3类天体:白矮星、中子星和黑洞。质量小于1.44倍太阳质量的恒星演化到新星爆炸，把外层物质大量抛射，最后剩下一个密实的核。这样，红巨星就演变成体积小、密度大、光度小的白矮星。此时核能枯竭，靠引力收缩来苟延残喘，最后剩下一堆残骸，或完全崩溃为弥漫物质。质量为太阳质量的1.44～2倍的恒星，演化到超新星爆发后，外部物质爆炸出去，形成星云状物质，内部急剧坍缩形成超高密度的中子星。质量超过太阳质量两倍以上恒星，在核能耗尽后，平衡状态不复存在，猛烈地坍缩形成密度更大，引力场非常强，使一切辐射都出不来的黑暗区域，叫“坍缩星”或“黑洞”，这是质量大于太阳质量两倍以上恒星的临终期。这种超高温、超高密度的物质虽然看不见，但根据它和其他临近天体以及弥漫物质产生的相互作用，可以证实它的存在。临终期的恒星再缓慢地演变或再通过爆炸的形式最后转化成非恒星物质，结束了一生。经辐射及爆炸抛出去的物质形成了新的星际物质，它是星云的原材料，或直接成为弥漫星云。星云密度足够大时，重新凝聚收缩再演化为恒星，这就形成了宇宙永远不息的循环。

但我们决不能把天体的生死转化看作是千篇一律的简单循环，它们是螺旋式向前发展的。第一代恒星主要是由氢组成，经过一系列的热核聚变反应，产生了各种重元素。这些元素随着恒星演化后期经爆炸而散布在宇宙空间，成为第二代恒星的原材料，所以第二代恒星除氢元素外还含有其他重元素，太阳是由60多种元素组成的，属于银河系中的第二代恒星。像太阳这类中等质量的恒星在主星序逗留约100亿年后，将演化成红巨星(图1-3)。在这一阶段，外层因膨胀温度较低，星核却因收缩而形成中心温度较高，产生更重元素的热核反应。此时可能发生轻微的脉动，成为一颗不规则变星。最后，外壳崩溃，剩下一颗密度高的星核，于是太阳便由红巨星变成临终期的白矮星了。