2．恒星漫长的一生

和世间任何事物一样，恒星也有它的诞生、成长和消亡过程，只不过恒星一生经历的时间极为漫长。在第一部分我们讲到，太阳的寿命大约为100亿年，而我们人的寿命最长不过百余年，即使人类的存在也只有数万年或数十万年的历史，和恒星的一生相比，只是短暂的一瞬。我们如何能得知恒星的诞生、演化和消亡的过程呢？

当我们去某个偏远地区了解那里的人一生的情况时，不必去追踪某个人的一生，而只须同时了解那里各种年龄人的情况：婴儿、小孩、青年、成年以至老年，拍很多照片拿回来研究就可以了。对于恒星，天文学家也正是采用这个办法。同时对某一类型的许多恒星作观测研究，抓住表征恒星演化的主要特征量，并把它们用图来表示，以便于研究恒星的演化。以恒星的光度和恒星的表面温度为特征量的坐标图就是这种图形，它揭示了恒星一生经历的秘密，它是由丹麦天文学家赫茨普龙和美国天文学家罗素于1905—1913年各自独立创制的，因而称为赫罗图，赫罗图是怎样揭示恒星一生的演化秘密的呢？

图5-1就是一幅太阳附近恒星的赫罗图，横坐标表示温度，以绝对温度K为单位，纵坐标表示恒星的光度，以太阳的光度定为1作为单位光度来量度。只要测出了恒星的表面温度和光度就可以在坐标图上确定一点，图上的每一个点代表一颗恒星。例如，太阳的表面温度为5800K，相对光度为1，对应的点正好位于图的中央位置。又如天狼星的温度比太阳高，光度比太阳大，注意到图中温度由左到右是逐渐降低的，天狼星在图上对应的点就在太阳的左上方。当我们考察这个图的时候，得到的一个突出印象是，图面上点的分布是不均匀的，大部分恒星从左上方蜿蜒至右下方，也就是从蓝色亮星延伸到红色暗星，呈现一条带状。右上方只有少数的点子落在红巨星的区域，而左下方则仅可见到几颗白矮星。

90%的恒星位于上面说到的那条带子上，因此天文学家把这条带子称为主星序，相应地在主星序上的恒星称为主序星，太阳、天狼星位于主星序上，而参宿四及天狼星的伴星则在主星序之外。天文学家还发现主序星还有一条与其质量有关的重要特性：小质量的主序星位于下端，大质量的则位于上端。例如天狼星在图上的位置比太阳高，天狼星的质量就一定比太阳大。

图5-1　赫罗图

恒星在演化过程中，它的温度和光度都要发生变化，恒星在赫罗图上的代表点随着时间的推移改变它的位置。为什么大部分恒星都聚集在主星序上？这是否表明在赫罗图上恒星代表点越过主星序是很慢的，或者说恒星处在主序星阶段要花很长的时间，就像一个游行队伍在道路的某处被堵塞前进得很慢而堆集了密集的人群，而在另一段路上人们跑步前进时，人群被拉开变得稀疏一样？天文学家经过长期仔细的研究证实了这一推想。

天文学家根据观测资料，分析了恒星的化学组成和物理结构，掌握了恒星内部核反应的规律，建立了恒星的结构和演化的方程组，用大型计算机解这套方程组，得到各种质量恒星演化的情况，并和观测资料相比较，不断修正理论，得到和观测资料越来越符合的结果。图5-2画出了中等质量恒星在赫罗图上的典型演化路径，顺着这一路径，我们来介绍恒星一生的演化情况。

恒星是由星际物质收缩凝聚形成的。弥漫在宇宙空间的气体云（主要成分是氢）开始密度很低，在万有引力的作用下气体云不断收缩，尽管气体的压力、磁场、离心力等也会阻碍气体云的收缩，当气体云的质量很大时，引力就足以克服其他力的作用，使得气体云的收缩继续下去，收缩后物质的密度增大，物质的密度增大后，万有引力随之增强，于是物质很快地向中心聚集、坍缩。在收缩过程中，物质的引力能转化为热能，使得核心区的温度不断上升，当中心温度达到700万℃以上时，核心开始出现由氢聚变为氦的热核反应，反应产生的巨大能量使得内部压力与引力处于相对平衡状态，一颗处在主序星阶段的年轻恒星就正式诞生了，恒星产生的过程在图5-2上由A至C这段图线表示。

不同质量的恒星，由星云形成恒星的时间不同。质量1M_⊙（M_⊙表示太阳质量）的恒星，时间约为7500万年；15M_⊙的恒星，约6万年；0.2M_⊙的恒星，则长达17亿年。

由于恒星中的氢极为丰富，而且氢聚变为氦的核反应相对来说比较平缓，恒星在主星序上可以停留很长时间，主序星阶段是恒星一生中最长的一个阶段。但是，质量不同的恒星停留在主序星阶段的时间不相同。质量越大，停留在主序星阶段的时间越短，太阳在主序星上可停留100亿年；15M_⊙的恒星只停留1000万年；0.2M_⊙的恒星则要停留1万亿年。

图5-2　恒星的演化过程

计算表明，主序星有一个质量极限，大约为0.08M_⊙。如果恒星的质量比0.08M_⊙小，这种星的中心温度和密度不可能高到足以产生氢聚变为氦的核反应，它们只能靠引力收缩发光。因此，这些星不经过主序星阶段，直接由红矮星转化为黑矮星。

大约在氢燃料消耗掉10%以后，恒星内部开始收缩，释放的能量迫使恒星的外层向外膨胀，同时由于膨胀而使恒星表面温度降低，但由于恒星体积加大所引起的光度增强超过了因恒星表面温度降低而导致的光度减小，总的效果是恒星的光度有所增加，它使得恒星在赫罗图上的位置向上移动。另一方面，表面温度下降又同时使它在赫罗图上向右移动。这样一来，高的光度和低的表面温度标志着恒星进入红巨星阶段。图5-2中由C至D一段图线表示恒星的这一步演化过程。

恒星在红巨星阶段，核心的收缩使温度升高，密度增大，当温度达到1亿度时，氦开始“点火燃烧”变成更重的元素。氦的燃烧十分猛烈，核心温度很快增高，致使核心膨胀，外层则收缩，恒星在赫罗图上从红巨星向左演化。温度和密度增高到一定程度后，碳氢进一步聚变为氧，以后再聚变为氖、镁以及其他更重的元素。中心部分温度高，氦首先耗完，这样，恒星内部可能呈现这样的结构：最中心部分是重元素组成的核心，其外层依次为次重元素，较轻元素……，最外面是氢燃烧层。复杂的内部结构使得恒星在此阶段将出现不稳定现象，恒星变成一颗脉动变星。这是图5-2中D至F一段的演化的过程。

脉动变星以后怎么演化？这个问题还在研究之中，现在普遍的看法是：恒星要经过一个大量抛射物质的演化阶段。物质抛射可能取相对来说较缓和的方式，形成行星状星云，也可能取猛烈爆发的形式，如超新星爆发。恒星在大量抛出物质以后，留下一个致密的核心，按照这个留下的核心质量的大小，恒星分别演化为白矮星、中子星或者黑洞。当恒星演化到白矮星、中子星时，核燃料已经全部耗尽，它们靠冷却来维持发光，最后必然会变为不发光的黑矮星，作为通常意义下的恒星，它的一生至此就完结了。