恒星演化的基本原理

「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

气体源的“温度”从哪里来呢？

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

主序星的演化

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。

30倍太阳质量的主序寿命只有200万年，太阳的的主序寿命是100亿年，200万年相对于100亿年来讲几乎是一瞬间。
15倍太阳质量的主序寿命也只有1,000万年。
0.5倍太阳质量的主序寿命可以长到600亿年，甚至比今天的宇宙年龄还要长，这就意味着0.5倍太阳质量的核心始终是处于主序的状态。

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。

恒星离开主序后的演化的过程

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。

恒星演化的结果

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”。