恒星一生的演化过程图（恒星从诞生到终结是一个怎么样的过程）

恒星是指由引力凝聚在一起的球型发光等离子体，它同自然界所有事物一样，都要经历诞生、发展、衰亡到转化的过程，一颗恒星的总质量是恒星演化和决定最终命运的主要因素，以太阳为参考，不同的质量的恒星可以划分为低质量恒星、中等质量恒星（类日恒星）、大质量恒星。

恒星在其一生中，包括直径、温度和其它特征，在生命的不同阶段都会变化，而恒星周围的环境会影响其自转和运动。

恒星的诞生

• 低质量恒星的诞生

低质量恒星形成的理论得到了观测的有力支持。

从天文观测取得的结果来看，低质量恒星的形成大概需要经过4个阶段：

(a)大的分子母云因为引力的作用形成缓慢旋转的小分子云核，这些云核在收缩过程中还会碎裂为更小的云核；

(b)云核的初始角动量使得吸积过程是非各向同性的。中心部分坍缩较快形成原恒星；云核外部收缩较慢形成盘状结构。它们被深埋在下落气体和尘埃组成的包层中。云中物质落向吸积盘，原恒星从吸积盘吸积物质到其表面而发光。

原恒星形成过程

(c)氘点火产生对流和较差自转放大了磁场，系统演化为具有强烈星风的恒星。星风从阻力较小的自转轴方向喷处，形成准直的双极外向喷流。

(d)喷流张角逐渐变大，强度逐步减弱。在中心氢燃烧开始启动后，形成稳定的恒星。

• 类日恒星的诞生

类日恒星以太阳为例，我们从中可以了解类日恒星是如何诞生的。

大爆炸后宇宙中充满了氢，氢在万有引力的吸引作用下互相抱团。吸引作用会导致原子加速，原子加速会提高氢的温度（引力势能转化成动能，然后互相摩擦转化成热能），随着温度的升高，密度也在增加。

科学家设想的太阳星云

随着氢越来越多，开始越变越大。外围的氢都想要冲到中心去，中心的氢堵在里面又不容易出来。于是中心的温度和密度就不断变高，当中心温度超过一千万度时，处在中心的氢突然核聚变点火。把自己的一部分质量转化成能量，能量有往外面冲的趋势。于是想往外面冲的能量和想往里面挤的氢原子互相平衡。外部的物质就不再能继续挤进来，中心的温度和密度将趋于稳定。

光携带着能量缓慢从物质的缝隙中来到表面（这是一个极其缓慢的过程，一个在太阳中心产生的光子平均花费100万年穿越中心到表面的50万公里，然后花费8分钟穿越太阳到地球的一亿公里进入你的眼睛），太阳就此诞生。

• 大质量恒星的诞生

科学家目前对于大质量恒星的形成机制还不了解。过去科学家认为，整个已知的宇宙中，由灰尘和气体构成的巨大分子云坍塌，黏在一起，形成稠密的核心，这些核心接着在高温下坍塌并被加热，形成恒星，这同样适用于大质量恒星。

但科学家目前发现，大质量恒星的形成原因远不止于此，2018年，研究人员使用极其灵敏的望远镜，对1.8万光年之外名为“W43-MM1”的遥远恒星形成区域进行了前所未有的详细观察，对其中极大质量范围——从类似太阳的质量到100倍太阳质量的恒星形成核心进行了研究，令他们惊讶的是，恒星形成核心的分布完全不同于此前在银河系附近区域观测到的分布。尤其值得注意的是，他们观察到很多大质量恒星，而较少看到在银河系中常见的更小质量的恒星。

利用世界上最大的毫米波干涉仪观测到的活跃的恒星形成区域W43-MM1

而新研究将迫使科学家重新思考对宇宙中大质量恒星如何形成的理解。

恒星的成熟与发展

恒星的发展轨迹要借助赫罗图，它是研究恒星演化的重要工具。1911 年，丹麦天文学家赫兹伯仑和美国天文学家罗素先后发现恒星的光度与表面温度有一定的联系。他们把光度与温度作成一个图，图的横坐标表示恒星的光谱型，因恒星的光谱型与表面温度有关，因此横坐标也就表示恒星的表面温度；纵坐标表示恒星的绝对星等，因绝对星等是光度的一种量度，因此纵坐标也表示恒星的光度。他们把大量的恒星按照它们各自的光谱型和绝对星等在图上点出来，发现点的分布有一定的规律性。

图的左上方到右下方大致沿着对角线点的分布很密集，成带状，占总数的 90%，天文学家把这条带称为主星序， 带上的恒星称为主序星。主星序表明，大多数恒星，表面温度高，光度也大；表面温度降低， 则光度随之减小。

恒星形成之后会落在赫罗图的主星序的特定点上。低质量恒星会慢慢发展成为红矮星，这是一种表面温度低、颜色偏红的矮星，而类日恒星会因为积热的核心造成恒星大幅膨胀，达到在其主星序阶段的数百倍大小，成为红巨星/蓝巨星。

红巨星/蓝巨星阶段会持续数百万年，但是大部分红巨星/蓝巨星都是变星（狭义上是指亮度有显著起伏变化的恒星），不如主序星稳定，红巨星聚集在图的右上方，蓝巨星聚集在图的左上方。而质量高于 4 倍太阳质量的大恒星在氦核外重新引发氢聚变时，核外放出来的能量未明显增加，但半径却增大了好多倍，因此表面温度由 数万 K 降 3000~4000 K，成为红超巨星/蓝超巨星，图中红巨星的上面就是红超巨星，而左上角就是蓝超巨星。

赫罗图能让科学家对恒星进行“年龄普查”。随着时间的推移，恒星的内部结构逐渐演变，其光度和表面温度随之改变，从而在赫罗图上的位置发生变化。天文学家据此描绘了恒星从诞生、成长到衰亡的演化路径，并从理论上给出恒星从诞生到成熟、衰弱再到转化的演化机制和模型。

恒星的归宿

• 低质量恒星的归宿

低质量恒星的发展，目前科学家并没有直接观测到，因为低质量恒星的寿命太过于悠长，红矮星内部的对流使得聚变变成的氦和氢持续混合，因此它们的氢用尽要花很久。恒星上的氢元素消耗缓慢，使它们拥有非常长的寿命，其寿命视其质量，在数百亿年到10万亿年间。

科学家认为，宇宙早期可能就已经产生低质量的恒星，它们可以存活至今，因为低质量恒星的寿命很长，例如红矮星被认为可以存活上万亿年。

2018年，美国天文学家果然发现这样的低质量恒星，这颗恒星的年龄大约为135亿岁，它几乎只由宇宙大爆炸喷射出来的物质构成。

大爆炸后宇宙产生的第一批恒星完全由氢、氦和少量锂等元素构成，比氦更重的元素在这些恒星的星核中产生，并随超新星爆炸而散播，宇宙中的金属含量随恒星的演化而增加。

这颗恒星的发现也意味着或存在更多低质量、低金属含量的恒星，其中一些可能是宇宙中的第一批恒星。

• 类日恒星与大质量恒星的归宿

而如何获悉类日恒星与大质量恒星的命运轨迹，这就需要看钱德拉塞卡极限和奥本海默极限的了。在钱德拉塞卡之前，科学家认为恒星的最终命运就是白矮星，白矮星是一种低光度、高密度、高温度的恒星。因为它的颜色呈白色、体积比较矮小，因此被命名为白矮星。

1926年， 福勒就撰文指出白矮星内部电子处于量子简并状态(即接近绝对零度的量子电子气);电子 处于简并状态时表现出的压强称为简并压，是它抵抗着白矮星自身的万有引力。

白矮星

但是钱德拉塞卡却得出了不一样的结论，钱德拉塞卡是印度裔的物理学家。钱德拉塞卡早期从事恒星内部结构理论的研究。他利用完全简并的电子气体的物态方程建立 白矮星模型。这就是著名的钱德拉塞卡极限。这个公式为：

钱德拉塞卡方程指出电子简并压支撑引力是有限度的。当恒星超过太阳质量的1.44倍时。白矮星质量太大，自身引力大于电子简并压力，星体在几秒内崩溃塌缩，电子越过泡利不相容原理的屏障，冲入原子核，将其击碎，同时产生粒子反应：电子与质子结合为中子，并放出中微子。

中微子逃逸出去，大量的自由中子以高速射向星体中心，一直到物质压缩到直径只有大约10千米时，中子气体的压力又会增强到足以抵挡引力，使坍缩停止，形成一颗新的平衡星体——中子星。这个极限质量后来就称为钱德拉塞卡极限。

钱德拉塞卡方程的三种情况

中子星内部99.5%的物质是密集的中子，只有0.5%的电子浮在其表面。中子于中子之间没有质子与质子间的那种静电斥力，唯一抵抗引力的是中子的简并压力——中子与中子挨在一起不被挤碎的力。在中子星的核里，再也没有“任何可以压缩的空间”，恒星的核成了一个巨大的主要由中子组成的原子核。

这也就是说，星体产生的热会令其大气层向外移。当星体的能量用尽，其大气层便会受星体的引力影响而塌回星体表面。如果星体的质量少于钱德拉塞卡极限，这个塌回便受电子简并压力限制，因而得出一个稳定的白矮星。

但是科学家后来又发现，一些超过钱德拉塞卡极限的恒星最终归宿却并不是中子星，反而是黑洞。

1939年，奥本海默经过仔细研究，在钱德拉塞卡极限的基础上进一步提出，中子星质量超过3.2个太阳时﹐就不可能成为稳定的中子星，它要么经过无限坍缩形成黑洞﹐要么形成介于中子星与黑洞之间的其他类型的致密星，这个临界质量被称为奥本海默极限。

那么根据钱德拉塞卡极限和奥本海默极限原则，任何一颗恒星都要面对生命终结的那一刻，大于钱德拉塞卡极限的恒星就会从恒星到白矮星再到中子星，若是星体质量超过奥本海默极限（中子星的质量上限），自引力要压倒中子的简并压力，星体将继续坍缩为黑洞。

如果低于钱德拉塞卡极限，就会成为白矮星，最后冷却，成为黑矮星，如下图所示，所以你会发现，恒星从诞生到衰亡最终又成为了一个论文。

根据这个原则，我们也可以推测太阳的命运，在四十亿至五十亿年之后，我们的太阳也将消耗尽所有的燃料， 届时会演化成一个臃肿的红巨星，在这个阶段太阳将会变得异常巨大，位于轨道内侧的行星 会被火球吞噬，地球也未能幸免。此后太阳质量将大幅度降低，周围瓦解成行星状星云。最 后留下一颗体积与地球相当的白矮星，因为太阳并没有超过钱德拉塞卡极限，所以它不会继续塌缩，等到白矮星逐渐冷却后，会成为看不见的黑矮星。

而太阳在赫罗图上的生命轨迹如下：

而位于太阳系内侧的行星在红巨星阶段被火球吞噬后， 潮汐力的作用也将彻底摧毁火星轨道以内幸存的行星，它们变成一团巨大的尘埃或者碎片云 继续坠入太阳核心，这就是太阳系的最终命运。

总结

恒星的第一阶段为原始星云，所有的恒星都诞生于原始星云之中。

随着原恒星积累更多的质量并开始收缩，它中心的温度和压力会更高，直到引发核聚变，原恒星开始进入主星序阶段；之后小质量恒星，会发展成为红矮星，它们的生命太过于悠长，让科学家无法知其归宿；而类日恒星，便会膨胀为红巨星/蓝巨星；而大质量恒星则会发展成为红超巨星/蓝超巨星。

红巨星持续膨胀，最终外层氢燃烧散去，留下遭挤压的致密核心白矮星；白矮星是没有内部核反应的，靠内部挤压的引力发光，最终冷却后形成黑矮星。而大质量恒星发展到后期会超新星爆发形成中子星，或塌缩成黑洞，最终毁灭！

最后的总结如下，这就是恒星一生的命运轨迹。

所以，恒星的命运轨迹就是如此。

,