恒星的演化
恒星演化论，是天文学中，关于恒星在其生命期内演化的理论。
由于单一恒星之演化通常长达数十亿年，人类不可能完整观测，目前的理论仍有部分是推测的假说。目前天体物理学家主要利用观测大量恒星，判断其在生命期的不同阶段，并以计算机模型模拟恒星的演变。
【恒星的诞生】
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恒星的演化开始于巨分子云。一个星系中大多数虚空的密度是每立方厘米大约0.1到1个原子，但是巨分子云的密度是每立方厘米数百万个原子。一个巨分子云包含数十万到数千万个太阳质量，直径为50到300光年。
在巨分子云环绕星系旋转时，一些事件可能造成它的引力坍缩。巨分子云可能互相冲撞，或者穿越旋臂的稠密部分。邻近的超新星爆发抛出的高速物质也可能是触发因素之一。最后，星系碰撞造成的星云压缩和扰动也可能形成大量恒星。
坍缩过程中的角动量守恒会造成巨分子云碎片不断分解为更小的片断。质量少于约50太阳质量的碎片会形成恒星。在这个过程中，气体被释放的势能所加热，而角动量守恒也会造成星云开始产生自转之后形成原始星。
恒星形成的初始阶段几乎完全被密集的星云气体和灰尘所掩盖。通常，正在产生恒星的星源会通过在四周光亮的气体云上造成阴影而被观测到，这被称为博克球状体。
质量非常小（小于一个太阳质量）的原始星的温度不会到达足够开始核聚变的程度,它们会成为棕矮星，在数亿年的时光中慢慢变凉。大部分的质量更高的原始星的中心温度会达到一千万开氏度，这时氢会开始聚变成氦，恒星开始自行发光。核心的核聚变会产生足够的能量停止引力坍缩，达到一个静态平衡。恒星从此进入一个相对稳定的阶段。如果恒星附近仍有残留巨分子云碎片，那么这些碎片可能会在一个更小的尺度上继续坍缩，成为行星、小行星和彗星等行星际天体。如果巨分子云碎片形成的恒星足够接近，那么可能形成双星和多星系统。
【恒星的青年】
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恒星在登上零龄主序之后，内部已经达到了流体静力学平衡和热学平衡，这种状态能使恒星表面温度长时期的保持稳定。主序上的恒星是各序列中最多的，说明恒星在主序上的生命过程最长。但是质量越大的恒星在主序上停留的时间越短，1924年，爱丁顿发现：一个处在辐射平衡状态的理想气态球，其光度与质量的3.5次方成正比。恒星的寿命＝燃料储备/燃料消耗率，燃料储备∝质量，燃料消耗率∝光度。一般，质量为M的主序星，寿命为1010年×M
存期短于1010年×60-2.5 ，即3.6× 105年。 -2.5。质量大于60M⊙的恒星，在主序的生
【恒星的中年】
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恒星有不同的颜色和大小。从高热的蓝色到冷却的红色，从0.5到20个太阳质量。恒星的亮度和颜色依赖于其表面温度，而表面温度则依赖于恒星的质量。大质量的恒星需要比较多的能量来抵抗对外壳的引力，燃烧氢的速度也快得多。
恒星形成之后会落在赫罗图的主星序的特定点上。小而冷的红矮星会缓慢地燃烧氢，可能在此序列上停留数千亿年，而大而热的超巨星会在仅仅几百万年之后就离开主星序。像太阳这样的中等恒星会在此序列上停留一百亿年。太阳也位于主星序上，被认为是处于中年期。在恒星燃烧完核心中的氢之后，就会离开主星序。
【恒星的成熟】
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在形成几百万到几千亿年之后，恒星会消耗完核心中的氢。大质量的恒星会比小质量的恒星更快消耗完核心的氢。在消耗完核心中的氢之后，核心部分的核反应会停止，而留下一个氦核。
失去了抵抗重力的核反应能量之后，恒星的外壳开始引力坍缩。核心的温度和压力像恒星形成过程中一样升高，但是是在一个更高的层次上。一旦核心的温度达到了1亿开氏度，核心就开始进行氦聚变，重新通过核聚变产生能量来抵抗引力。恒星质量不足以产生氦聚变的会释放热能，逐渐冷却，成为红矮星。
积热的核心会造成恒星大幅膨胀，达到在其主星序阶段的数百倍大小，成为红巨星。红巨星阶段会持续数百万年，但是大部分红巨星都是变星，不如主序星稳定。
恒星的下一步演化再一次由恒星的质量决定。
【恒星的晚年和死亡】
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低质量恒星
低质量恒星的演化终点没有直接观察到。宇宙的年龄被认为是一百多亿年，不足以使得这些恒星耗尽核心的氢。当前的理论都是基于计算机模型。
一些恒星会在核心进行氦聚变，产生一个不稳定和不平衡的反应，以及强烈的太阳风。在这种情况下，恒星不会爆发产生行星状星云，而只会耗尽燃料产生红矮星。
但是小于0.5倍太阳质量的恒星甚至在氢耗尽之后都不会在核心产生氦反应。像比邻星这样的红矮星的寿命长达数千亿年，在核心的反应终止之后，红矮星在电磁波的红外线和微波波段逐渐暗淡下去。
中等质量恒星
达到红巨星阶段时，0.4到3.4太阳质量的恒星的外壳会向外膨胀，而核心向内压缩，产生将氦聚变成碳的核反应。聚变会重新产生能量，暂时缓解恒星的死亡过程。对于太阳大小的恒星，此过程大约持续十亿年。
氦燃烧对温度极其敏感，造成很大的不稳定。巨大的波动会使得外壳获得足够的动能脱离恒星，成为行星状星云。行星状星云中心留下的核心会逐渐冷却，成为小而致密的白矮星，通常具有0.6倍太阳质量，但是只有一个地球大小。
在重力和电子互斥力平衡时，白矮星是相对稳定的。在没有能量来源的情况下，恒星在漫长的岁月中释放出剩余的能量，逐渐暗淡下去。最终，释放完能量的白矮星会成为黑矮星，但是目前宇宙的年龄不足以使得这样的星体存在。
在同时形成的双星或者多星系统中，恒星际质量交流可能改变演化过程。因为一部分质量被其他恒星获得，系统中质量较大的恒星的红巨星阶段演化会被加速，而质量较小的恒星会吸收一部分红巨星的质量，在主星序停留更长时间。举例来说，天狼星的伴星就是一颗年老的大约一个太阳质量的白矮星，但是天狼星是一颗大约2.3个太阳质量的主序星。
如果白矮星的质量超出钱德拉塞卡极限，电子互斥力会不足以抵抗引力，而会继续坍缩下去。这会造成恒星向外抛出外壳，也就是超新星爆发，标记着恒星的死亡。也就是说，不会有大于1.4倍太阳质量的白矮星。
如果白矮星和另外一颗恒星组成双星系统，那么白矮星可能使用来自另外一颗恒星的氢进行核反应并且将周围的物质加热抛出，即使白矮星的质量低于1.4倍太阳质量。这样的爆炸称为新星。
大质量恒星
在超出5倍太阳质量的恒星的外壳膨胀成为红超巨星之后，其核心开始被重力压缩，温度和密度的上升会触发一系列聚变反应。这些聚变反应会生成越来越重的元素，产生的能量会暂时延缓恒星的坍缩。
最终，聚变逐步到达元素周期表的下层，硅开始聚合成铁。在这之前，恒星通过这些核聚变获得能量，但是铁不能通过聚变释放能量，相反，铁聚变需要吸收能量。这会造成没有能量来对抗重力，而核心几乎立刻产生坍缩。
恒星演化的下一步演化机制并不明确，但是这会在几分之一秒内造成一次剧烈的超新星爆发。和轻于铁的元素同时被抛出的中微子形成一个冲击波，在被抛出的物质吸收后，形成一些比铁重的放射性元素，其中最重的是铀。没有超新星爆发的话，比铁重的元素不会存在。
中微子冲击波继续将被抛出的物质推出。被抛出的物质可能和彗星带碰撞，可能形成新的恒星、行星和卫星，或者成为各种各样的天体。
现代科学尚未明确超新星爆发的机制，以及恒星残骸的成分，但是已知有两种可能的演化终点：中子星和黑洞。
中子星
在一些超新星之中，电子被压入原子核，和质子结合成为中子。使得原子核互相排斥的电磁力消失之后，恒星成为一团密集的中子。这样的恒星被称为中子星。
质量要求:塌缩的内核质量超过1.44倍太阳的质量,小于3.2倍太阳的质量。
中子星的大小不超过一个大城市，但是极其致密。由于大部分角动量残留在恒星中，它们的自转会极快，有些甚至达到每秒钟600转。恒星的辐射会被磁场局限在磁轴附近，而随恒星旋转。如果磁轴在自转中会对准地球，那么在地球上每次自转过程中都可能观测到一次恒星的辐射。这样的中子星被称为脉冲星，是最早被发现的中子星。
黑洞
被广泛承认的是并非所有超新星都会形成中子星。如果恒星质量足够大，那么连中子也会被压碎，直到恒星的半径小于史瓦西半径，成为一个黑洞。
质量要求:塌缩的内核质量超过3.2倍太阳的质量。
斯帝芬·霍金（Stephen Hawking）结合广义相对论和量子力学预测了黑洞的存在。在多年来天文学家的努力下，成功观测到了行星不明引力场的影响而改变轨迹，从而可以推论黑洞的存在。根据传统的广义相对论，没有任何物质或者信息可以从黑洞中逃出，但是量子力学允许一些例外（在特定条件下物质发生"Tunnel"现象，物质能够通过一条假想的隧道穿过障碍）。黑洞的存在被绝大部分天文学家支持。
但是仍有一些问题尚待解决。当前的超新星爆发理论尚未完善，不能说明是否恒星可能压缩成为黑洞而不经过超新星爆发，是否有超新星形成的黑洞，以及恒星的初始质量和演化终点的关系。
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恒星的亮度
恒星的亮度用视星等和绝对星等来表示。
星等：恒星越亮，星等越小。
视星等：在地球上测出的星等。
这个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做视星等。
绝对星等：归算到离地球10秒差距处的星等。U(紫外)、B（蓝）、V（黄）三色系统。B和V分别接近照相星等和目视星等。二者之差就是常用的色指数。由色指数可以确定色温度。太阳的V=-26.74等，绝对目视星等M=+4.83等，色指数B-V=0.63，U-B=0.12。
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恒星的表面温度
恒星表面的温度一般用有效温度来表示，它等于有相同直径、相同总辐射的绝对黑体的温度。恒星的光度级可以分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ，依次称为超巨星、亮巨星、巨星、亚巨星、主序星（或矮星）、亚矮星、白矮星。太阳的光谱型为G2V,颜色偏黄,有效温度约5,770K。A0V型星的色指数平均为零，温度10,000K。恒星的表面有效温度由早O型的几万度到晚M型的几千度，差别很大。
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恒星的元素构成
光谱分析，正常恒星大气的化学组成与太阳大气差不多。按质量计算，氢最多,氦次之,其余按含量依次大致是氧、碳、氮、氖、硅、镁、铁、硫等。但也有一部分恒星大气的化学组成与太阳大气不同，例如沃尔夫－拉叶星，就有含碳丰富和含氮丰富之分。理论分析表明，在演化过程中，恒星内部的化学组成会随着热核反应过程的改变而逐渐改变，重元素的含量会越来越多，然而恒星大气中的化学组成一般却是变化较小的。
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恒星表面温度是描述恒星性质的重要参量。由于不同的温度,恒星表现出不同的颜色。我们可以通过恒星颜色大致判断其温度,通过光谱分析准确测定其温度数值。由于距离的原因我们看到的恒星亮度并不代表其实际温度,这样,我们利用表示恒星总辐射功率的光度来描述恒星。当然高度可以由目视亮度和距离借助一定关系式求出。
这样我们天文学家用恒星的表面温度和光度作为坐标轴组成关系图,这就是赫罗图(HR图)。恒星可用HR图中的一点表示出来。这样就把所观测到的恒星依据表面温度和光度这两个可以测量的量作为判据加以排序。图1是邻近太阳的恒星在赫罗图中的分布。不难发现除个别恒星的点落在左下方或右上方的位置,多数恒星的表面温度和光度在图中的点落在一条由左上方向右下方延伸的狭长带内,称这个狭长带为主星序。多数恒星处于主星序内,这说明恒星的表面温度和光度都不是随机分布的,而是具有一定的星序,恒星在主星序停留的时间最长。表面温度为T的恒星的辐射近似于同温下的黑体辐射,满足关系式L=4πR·KT,其中L为光度,K为斯—玻常数,R为恒星半径。所以当T相同时,光度L小则半径R也小,L大R也大。而且M∝R。因此说沿着主星序向下,恒星质量逐渐减小。光度与颜色都相同的恒星有相同的质量。由质—光关系式L/L0≈10(μ/H)( m/M0)。其中L为光度,L0 、M0分别是太阳的光度和质量,μ、H
分别是恒星物质的平均分子量和不透明度。可以看出恒星的光度L与半径R无关,但与它的质量三次方成正比。这也表明恒星质量沿主星序向下而迅速减小。如图2恒星的表面温度、光度、半径、质量这些参数之间结成一定关系,这种关系决定了恒星在演化过程中在赫罗图中位置的移动。赫罗图为研究恒星演化问题提供了重要实测基础。
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大质量恒星-红超巨星-超新星爆发
通常，当恒星质量大于4M⊙时，恒星可能会向红超巨星转化。在主星序末期，氢聚变的热核反应无法在中心区进行，星体塌缩，温度急剧上升。中心氦核温度可高达1亿度。此时恒星可发生两种核反应。其一是紧邻中心氦核的氢氦混合气体受热后重新引发氢聚变，氢燃烧层会逐渐向外扩展。其二是氦核处发生的三个氦原子聚变成一个碳原子的聚变反应。由于两种核聚变产生的巨大能量以及氢聚变向外扩展的趋势，恒星的半径将比红巨星又增大许多倍，表面温度也由几万度降至三四千度，成为红超巨星。较普通红巨星而言，红超巨星半径要大的多，其用于外层膨胀所消耗的能量要多得多，因此红超巨星的表面温度会更低些。此阶段过后，红巨星会发生爆炸，将其外壳物质抛散到宇宙空间中。大质量恒星会发生猛烈的大规模爆炸，当恒星爆炸时的绝对光度超过太阳的100倍（中心温度可达100亿度），即新星爆发时光度的10万倍时，这种爆发就被称为超新星爆发。
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较小质量（类太阳）恒星-红巨星
质量小的恒星，中心温度将不足以点燃氦聚变，它会在红巨星阶段停留很长时间，但是总有一天它也会爆发。
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大质量恒星-黑洞和中子星
1934年美籍天体物理学家巴得(W.Baade)和茨维基(F.Zwicky)指出,对于大质量的恒星在坍塌的过程中,由于质量过大,引力过强,电子简并力不足以抵抗引力的作用,使星核受到极大压缩(密度可达10g/cm),核中物质变成中子气(含有中微子),星核的压缩产生巨大的能量,以爆炸的形式将外层以碎片推散到太空。在这期间,由于星体的高温而发光,成为超新星。爆炸完毕,剩余的星核密度很高,引力很大,与星核中的中子简并力相平衡,从而形成中子星。著名前苏联理论物理家朗道,在对天体物理和量子场论的研究中得出:其形成的中子星质量不会超过2M⊙。银河系中著名的蟹状星云的中心星就是一颗中子星。它通过x射线发射的能量比它在光学波段的能量高出百倍之多。中子星表面积小，光度比普通恒星低几十亿倍，很难用光学仪器及热辐射接收器加以观测，通常科学家通过射电和x射线的记录来观测中子星。
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