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恒星的燃料总有耗尽的一天。但这一天究竟会在什么时候到来？ 4:12 宇宙 / 星尘 来自星空天文网  NASA / 太阳动力天文台 恒星的演化并不是一蹴而就的事。氢转变为氦，氦转变为更重的元素，直到最终的灾难性结局。这期间存在着不同的阶段，各个阶段内存在着很多转化过程。  NASA 要理解这一切，我们就需要从恒星的诞生讲起。首先，我们要找到一颗新生的恒星，它们通常存在于巨大的疏散星团内。  ESA / NASA 在一个年轻的星团内，通常会有许多质量各不相同的恒星。有质量最大、温度最高的O级和B级恒星——它们的质量是太阳的几十甚至几百倍；也有质量最小、颜色最红、最昏暗的M级恒星。此外还有许多所谓的“失败的恒星”——褐矮星。恒星的颜色、亮度和质量的关系，如下图所示。  维基共享资源 总的来说，在这种对应关系中起决定性作用的，是它们的“质量”。但是实际情况更加微妙，也更具启发性。 恒星发光的根本原因是它们的内核正在发生核聚变。即使是质量最低的M级恒星，也包含了相当于25000个地球质量的物质。这些物质在气体云阶段时，会在自身引力的作用下收缩，逐渐形成原恒星，它们内核的密度和温度会极大地升高，最终引发能够自我维持的核聚变反应。  质子的链式聚变反应。Randy Russell 造成蓝星、亮星和红星、暗星区别的主要原因，是它们内部的温度。太阳核心的温度大约在1500万K，那里的核聚变反应在一定程度上进行得相当迅速。 但是在恒星的外层，聚变的速度会随着温度的逐渐降低而呈指数级下跌。在距太阳核心大约25%半径的地方，温度大约降低了二分之一，而聚变的速度只有核心的1%都不到。  B. Stromgrew (1965) 这就是为什么温度是太阳一半的恒星存活期是太阳的一百倍，而那些超级炽热、质量是太阳数百倍的恒星，连太阳寿命的0.1%都活不到。  ESO 这是恒星的先天因素。而在恒星的一生中，随着它们持续燃烧，燃料会逐渐消耗。燃料的消耗会导致其内部区域发生坍缩。坍缩是一种在绝热条件下发生的体积变化，也就是说热量不会向外部转移。因此该区域的熵将保持不变，但是温度却会上升。于是聚变反应会逐层向外推进，聚变速度也会加快。 这就意味着恒星的温度和亮度会随着它们年龄的增长而逐渐上升。  维基共享资源 恒星的燃烧会产生辐射压，这种辐射压能够抵挡住引力引发的坍缩。太阳之所以能够保持球形，就是因为其内核持续产生的向外辐射压和向内的引力拉扯大致相等。但是一旦恒星内核以及恒星各层结构中的燃料耗尽，辐射压陡然下降，引力就会胜出。 在这个时候，恒星面前只有两个选择：要么收缩内核，提高温度，点燃更多元素——无论是氢、氦，还是许多大质量恒星中的碳——进行核聚变反应；要么不收缩内核，等待温度升高，直至下一阶段的聚变反应开始——太阳演化到晚期时可能就会这样。  Casey Reed / J. Hester 氦核的形成需要很久——即使对于大质量恒星而言也需要用上几百万年时间。氦的燃烧时间只有氢的10%。而从碳的燃烧开始，直至铁核的形成，并最终导致超新星爆发，只需一千年左右。  斯温伯恩理工大学 正如50-70亿年后的太阳那样，当一个类日恒星的内核氢燃料耗尽后，会首先膨胀为一个亚巨星。这段时间会持续大约几亿年，随后氦被点燃，膨胀成红巨星。在成为亚巨星前，它会首先离开主序阶段。 相对于主序阶段而言，其他阶段都较快。“主序”的意思可以理解为恒星一生中的主要阶段。  维基共享资源 在质量相对较高的恒星内部，温度决定了一切。对流作用在那里相当缓慢，因此不足以把所有元素充分地混合在一起。这就是为什么太阳在几十亿年后耗尽它自己制造出来的氦后会熄灭；除了质量最小的M级恒星，新的元素若想循环进入恒星内核需要几千亿年时间。 Ethan Siegel / 老孙 |
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