漫步苍穹，熠熠生辉——恒星的演化
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作者:王启儒
校对:亚历克斯牧夫天文校对组。
后期:库特利亚李
信用:美国国家航空航天局/SDO
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上周二，我们讨论了类太阳恒星、低质量恒星、大质量恒星和褐矮星的诞生。现在我们来看看类似太阳的恒星，观察它诞生后是如何演化的。
x射线下的车轮星系
信用:美国国家航空航天局/CXC
灭绝的开始——亚巨人的诞生
类太阳恒星在主序阶段偶尔会爆发耀斑和黑子，但在大多数情况下，它们的性质不会突然大规模地发生变化。当类太阳恒星的燃料——氢开始耗尽时，氦的丰度已经增加到一定程度。随着中心氢的耗尽，核反应停止，主燃烧区向内核外层移动。没有核反应的支持，氦核中向外的压力会减弱，从而导致核的收缩。氦核的收缩会释放引力势能，使中心温度升高，加热覆盖在核上的燃烧层。此时的温度超过了10万开尔文，但还没有高到引起氦原子核聚变的温度。但是，这个温度可以使氢核的聚变比以前更快。在恒星中心周围由氦“灰”组成的未燃烧核心的外壳中，氢以惊人的速度燃烧。这个阶段叫做氢壳燃烧。氢壳产生的能量不断增加，而氦核不断向内收缩，光度略有增加，表面温度降低。大约1亿年后，原始类太阳恒星的半径增加到太阳的3倍以上，成为一颗亚巨星。
这里，我们以五车二(α Aur)为例。这颗黄巨星的质量约为太阳的2.5倍，半径为12倍，视星等为-0.08等。，距离地球42光年。五车二目前正处于主序星向红巨星转变的中期阶段，也就是我们刚刚提到的次巨星阶段。
五车二今晚出现在上海东北部的夜空中。
信用:SkySafari pro
第一阶段灭绝——红巨星
现在，我们的老恒星远离主序，不再处于稳定的平衡状态。氢以加速的速度转变成氦，氢燃烧引起的气体压力增加增加了未燃烧恒星的外半径。当核心在收缩和加热时，外层在膨胀和冷却。在这样的变化中，恒星变成了红巨星。红巨星非常大——大约和水星的轨道一样大；相反，它的氦核非常小——只有地球的几倍大。核中心的密度非常高，整个恒星约25%的质量被压缩在一个行星大小的核心中。
红巨星阶段类太阳恒星的常见例子是大角星，其质量是太阳的1.1倍，半径是太阳的25倍，视星等为-0.04，距离地球36光年。大角星是整个夜空中第三亮的星。目前正处于氢壳燃烧并沿红巨星分支上升阶段。它的光度是太阳的170倍，辐射大部分在光谱的红外范围。
大角星(左)和太阳(右)对比图。
信用:宇宙沙盒
熄灭的第二阶段——氦闪和碳爆燃
对于一颗类似太阳的恒星来说，在它离开主序数亿年后，氢壳的燃烧使氦星的核变大，其产生的热量已将核心温度推至654.38+0亿开尔文，此时核心中的氦开始燃烧。此时，恒星的引力又开始占上风，恒星在引力的作用下收缩，恒星的电子气体密度开始增加。这里我们可以把不同质量的类太阳恒星的电子简并导致的结果进行分类:
第一种是质量为太阳0.8~2.2倍的恒星。对于这类恒星，当简并氦核的质量由于积累而超过临界值(0.45~0.50)时，氦就会在简并气体中点燃。一般来说，非简并气体的压力与温度成正比。在非简并气体中点燃引起的局部温度升高会伴随着压力的升高，星核会膨胀，从而抑制温度升高，处于平衡状态。而简并气体的体积和压力对温度没有反应，在简并气体中点燃后发生的是正反馈，导致氦的强烈聚变，产生热失控，相应的现象叫做氦闪。
其次是质量为太阳2.2~8倍的恒星。对于这样的恒星，氦会在非简并条件下点燃，正常燃烧。在红巨星的核心，两个氦核合并形成一个Be核，Be核是一种非常不稳定的同位素，通常会在很短的时间内衰变为两个氦核。但在红巨星内核密度较高的情况下，Be核可能会在衰变前与其他氦核相遇，并与氦核聚合形成碳。对于这样的恒星，碳会在简并条件下点燃。当碳开始点燃时，星核中心存在对流，对流转移了碳燃烧释放的能量，因此不会立即发生热失控。但最后会形成碳闪，然后产生冲击波。当冲击波传播到未燃烧的介质时，会逐渐点燃介质，然后发展为爆炸燃烧。相应的现象叫做碳爆燃。
信用:美国国家航空航天局
灭绝过程中最辉煌的阶段——行星状星云
根据上述，质量为太阳2.2~8倍的恒星的核心温度足以引起碳核聚变反应。然而，在碳核能够达到点燃碳融合所需的不可思议的高温之前，它的密度就会达到无法进一步压缩的程度。事实上，一旦碳开始形成，就标志着恒星进入了死亡倒计时。随着核心越来越接近其最终的高密度状态，核燃烧的强度也在增加，恒星包层不断膨胀和冷却，最大半径达到太阳半径的300倍左右——大到足以吞噬火星。也就是在这个时候，恒星的燃烧变得非常不稳定，这使得恒星变得非常复杂——在每个脉冲的峰值附近，表面温度下降到电子可以与其他原子核重新结合形成原子的程度。每次原子结合都会产生额外的光子，这些光子会给气体一些额外的“外部推力”，导致一些气体的逃逸。在不到一百万年的时间里，一颗恒星几乎所有的包层都以每秒几十公里的速度被抛射到太空中。随着核心剩余燃料的耗尽，它开始收缩并升温，形成了一个主要由碳灰组成的小而轮廓分明的核心——它是热的，致密的，仍然非常明亮，只有核心的最外层仍在将氦聚集成碳和氧。远离内核的地方是一团不断膨胀的尘埃和冷却气体——包覆层从这颗巨星中喷发出来，充满了太阳系大小的空间。如此壮观华丽的现象，被人们优雅地称为“行星状星云”。理论上，所有质量为太阳0.8-8倍的恒星都会形成行星状星云。M57(环状星云)是一个行星状星云，由一颗垂死的中央恒星喷出，位于天琴座。M57距离地球2300光年，视星等8.8等。，其膨胀速率为每世纪65，438+0弧秒。它是壮观的行星状星云之一。
M57，环状星云
鸣谢:维基百科
类太阳恒星演化的最后阶段——白矮星
行星状星云中心恒星的遗迹碳核将随着时间的推移不断演化，其包层将逐渐消散，原本隐藏在红巨星大气面纱下的核心将变得可见(核心需要数万年才能从扩散气体的面纱中浮现)。内核很小，包层喷出形成行星状星云时，内核已经收缩到地球大小左右，甚至比地球还小。它的质量大约是太阳的一半。这颗表面炽热的小“恒星”被称为“白矮星”。
天狼星B(Sirius B)是一颗已知质量最大的白矮星，离地球特别近，也是著名亮星天狼星A的微弱伴星。它位于大犬座，距离地球8.6光年，视星等8.3。虽然它的质量与太阳相当，但它的密度却是太阳系中我们所熟悉的任何天体的100万倍。
信用:宇宙沙盒
独自走完最后的旅程——黑矮星
一旦孤立星变成白矮星，它的演化就结束了(双星中的白矮星可能有进一步的活动)。这颗孤独的白矮星随着时间不断冷却变暗，最终完成了一生的旅程，成为了一个寒冷而稠密的太空中的灰烬——黑矮星。冷却的矮星在消失时不会收缩太多。在恒星密度极高的情况下，即使恒星的温度接近绝对零度，电子对积压的阻力也会支撑恒星——与氦闪附近红巨星核心的电子简并态相同。当矮星冷却时，它仍然和地球差不多大。
类太阳恒星的成分变化
信用:美国国家航空航天局
至此，类太阳恒星以华丽优雅的方式达到了进化阶段的巅峰，以孤独冰冷的方式结束。
参考材料:
【1】王又芬；邵正毅。褐矮星的观测特征和搜寻。天文学的进步。2013 (01):19-38.
汪鸿雁。大质量中子星可能包含超子。吉林大学学报(理科版)。2020 (03):236-240.
徐兰萍。恒星的主序后演化。天文学进展。1989 (04):50-58
【4】高举；小婷。星系中分子气体和恒星形成的研究进展。天文学的进步。2020 (02):4-21.
关于作者:
王启儒，山东烟台人，材料物理专业。
本科在读，天文爱好者，科普创作者。
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