科普驿站 第二十一期
科目：物理/天文
难度：A2
讲师：咕咕黎
今天为大家带来关于恒星的科普，在此之前先来说说星云。星云是什么呢？它是由尘埃、氢气、氦气，和其他电离气体聚集的星际云。
星云原本是天文学上通用的名词，泛指任何天文上的扩散天体，例如仙女座星系也被叫做“仙女座星云”。
星云是由星际空间的气体和尘埃结合而成的云雾状天体。星云里的物质密度是很低的。例如无规则形状、边界直径可达几十光年的弥漫星云密度也在每立方厘米10-100个原子左右。
星云我们可根据形态分为：
弥漫星云。
行星状星云。行星状星云一般是由中小质量恒星爆炸后产生，核心为白矮星，外形为圆盘状或环状。
超新星遗迹。超新星遗迹一般由超新星爆发后抛出的气体形成。超新星遗迹其实可算作行星状星云的一种，但物理特性又与一般的行星状星云不同，因此在这里我们将它额外分出来。
而根据发光的性质，可以分为：
发射星云。发射星云指的是被中心或者周围的高温照明星所激发可以自行发光的星云。
反射星云。反射星云指的是通过反射或者散射低温照明星的辐射而发光的星云。
(发射星云和反射星云统称为亮星云。)
暗星云。暗星云顾名思义，就是不发光的星云，但是密度很高，足以遮挡亮星云或者恒星所发出的光，就好比一块大大的“黑幕布”。
以上几种星云，我在这儿就不多说了，如果有兴趣的小伙伴可以查阅相关资料。
恒星
接下来，就到正题—-恒星了。
恒星是什么？恒星是由引力凝聚在一起的球形发光等离子体，其中心进行热核聚变反应产生能量并将其释放出来。像我们的太阳，它就是一颗恒星，是离我们地球最近的恒星。
目前主流的恒星形成理论是“弥漫学说”。弥漫学说的大致内容为：在宇宙空间中，存在着大量的星际物质。由于星际物质密度的不均匀性，其中一部分就形成了一些密度较大的区域，在这些较大的区域中，星际物质因为引力的作用，便汇集在一起，就形成了“星云”。
星云不断地收缩，势能转换为热能和向外的辐射能，整个星云的温度不断升高并辐射能量，慢慢地就形成了“原恒星”。
当原恒星中央的气体密度和温度达到足以开始热核反应（H燃烧）的地步时，就成为真正的零龄主序星，发出光和热。一个刚出生的恒星就“呱呱落地”了。
之后，零龄恒星略微收缩，完全达到流体静力学的平衡，这个时候可以说该恒星已经可以“站立”，成为正常恒星，也就是主序星。
若形成恒星的星云质量不同，那么所形成的恒星也会有不同的表现。小质量原恒星内部的对流发展较为充分，温差小，收缩时表面的温度变化很小；而大质量的原恒星则相反，温度会变低。并且，质量越大的恒星，其原恒星演化到主序星的时间就越短。
说到这里，我jio得肯定会有人问：那……褐矮星是什么鸭？
褐矮星，它是构成类似于恒星，但是质量小于0.08倍太阳质量，不足以在核心点燃聚变反应的气态天体。褐矮星是介于最小恒星和最大行星之间的天体。它们的表面温度不会超过3000K，因而发出的光很微弱，所以想要发现他们是特别困难的。
接下来，我们说说恒星的结构
就拿我们最熟悉的太阳来说。太阳大气的最外层则是日冕，它由高温、低密度的等离子体所组成，亮度很微弱。日冕只有在日全食时才能看到。
在日冕之下，就是色球。色球厚度为2000千米，太阳的温度分布从核心向外直到光球层，都是逐渐下降。但到了色球层，它却又很反常地上升，色球顶部甚至可达几万度！
在太阳对流层上面，色球的下面，就是光球了。光球是一层不透明的气云薄层，厚度约500千米，它确定了太阳非常清晰的边界，几乎所有的可见光都是从这一层发出来的。
以上三种属于太阳光球之外部分的大气层。那么，我们接下来看看太阳光球。太阳光球我们从内部说起。先说内部核反应区。
从中心到0.25太阳半径是太阳能量的真正源头，我们称它为核反应区。这里的温度高达有一千五百万度！压力相当于3000亿个大气压，每时每刻都在进行着四个氢聚变为一个氦核的热核反应。也就是说，每秒钟有质量为6亿吨的氢经过热核反应反应为5.96亿吨的氦，并释放出相当于四百万吨氦的能量。
但是！这比起太阳那浩瀚无穷的质量来说，也只是小巫见大巫。根据对太阳内部氢含量的估计，太阳至少还有50亿年的正常寿命。
在0.25 ~0.86太阳半径内是太阳辐射区，它包含了各种电磁辐射和粒子。辐射从内部向外部传递的过程是多次被物质吸收而又再次发射的过程。从核反应到太阳表面的行程中，能量依次以X射线、远紫外线、紫外线，最后是可见光的形式向外辐射。由此可见，太阳是一个取之难尽，用之难竭的能量源泉。
辐射区的外侧区域，就是对流层了。它厚度约有十几万千米，由于这里的温度，压力，密度梯度都很大，太阳气体呈对流的不稳定状态。热的物质向外运动冷的沉入内部，靠这种对流，太阳内部能量才能从内部向外部传输。
恒星的能源
前面我们说到了太阳的能量源头是核反应区，所进行的是氢聚变。那么氢聚变是什么呢?
氢聚变属于核聚变中的一种，而核聚变指的是几个较轻的原子核聚合成一个重的原子核的反应。在核聚变时，根据爱因斯坦的“质能方程”，有一部分质量会转变为能量。
虽然在聚变过程中只有那么“一丁点”的质量被转换为能量，但是这点能量可是非常巨大的。例如太阳的氢聚变，当两个质子和两个中子被聚变为氦原子核时，将会释放碳燃烧的六百万倍左右的能量。（这里的碳燃烧指的是一个碳原子和两个氧原子化合成二氧化碳。）
在恒星内部，有两种反应顺序不同地把氢转变为氦的方式，第一种叫做质子-质子链式反应，第二种叫做碳-氮循环反应。
先说质子-质子链式反应，我们简称为P-P链。P-P链反应始于两个质子之间的碰撞而产生一个重氢核，在此过程中，有一个质子必须成功地发射一个正电子和中微子转变为中子，这是因为重氢核是一个质子和一个中子结合而成。
接下来，新形成的重氢核会在几秒钟内“抓”住某个“倒霉”的质子摇身一变为氦同位素氦-3。这一步后，最通常的情况是氦-3与另外一个氦-3素发生核作用，形成一个新的氦核并且释放两个质子。以此类推，形成一个循环的反应链。
（PS：以下会有稍难的部分）
现在来看看碳-氮氧循环（简称CNO循环）。该循环的首先是一个质子撞击一个碳核，变为氮的放射性同位素氮-13，并且放出一个光子。之后氮-13经历β衰变发射正电子和中子各一个，变成碳同位素碳-13，该核又同一个质子碰撞，发射一个光子并且变成普通的氦核。但是！这并没有结束。
氦核与质子碰撞形成氧放射性同位素氧-15和另一个光子，下一步该氧-15又经过β衰变形成氮同位素氮-15。最后，通过碰撞获得一个质子后又分裂成普通的碳和氦核。以此类推，形成CNO循环。
对于核心温度较低的恒星来说，主要是以P-P链循环为主，而温度高的则以CNO循环为主，但并不代表核心温度低的恒星就没CNO循环。
恒星的分类
根据恒星的光谱，我们可以把恒星以字母顺序O，B，A，F，G，K，M来进行分类。经过更仔细的研究，又可以把恒星光谱型再分为十个次星。列如从B型到A型的次型可以依次写为B0,B1,B2……，B9，A0。最大的O型，表面温度可达30000-50000K，颜色为蓝，寿命很短，几百万年以下。最低的到2000-3500K，颜色为暗红，寿命超过几百亿年。
根据恒星的光度，又可以分为：Ⅰ超巨星、Ⅱ亮巨星、Ⅲ正常巨星、Ⅳ亚巨星、Ⅴ矮星、Ⅵ亚矮星和Ⅶ白矮星。太阳的光谱型为G2V，颜色偏黄，有效温度约5,770K。A0V型星的色指数平均为零，温度约10,000K。恒星的表面有效温度由早O型的几万度到晚M型的几千度，差别很大。
对于恒星的光度，在天文学上我们用“星等”来度量。恒星越亮，星等越小。反之，恒星越暗淡，星等就越大。
星等分为视星等和绝对星等。在地球上，观测者用肉眼所看到的星体亮度叫做视星等；归算到离地球32.6光年处时的星等叫绝对星等。（关于绝对星等与视星等的关系感兴趣的可以自行查阅相关资料，这里就不过多阐述了。）
恒星间的距离测量
恒星间的距离，我们往往以光年来表达，即光在一年年内所走的路程。离太阳系最近的恒星是半人马座的比邻星，它发出的光到达地球需要4.3年，也就是说距离为4.3光年。
对于用光年来计算恒星间的距离，我们普通的测量方法显然已经失去了意义，对此，就出现了很多用来测量恒星间距离的办法。
在十九世纪初，有一种叫做“三角视差法”的方法出现了。它可以测量距离我们距离近的恒星，但对于远的恒星就没有办法了。
三角视差法是一种利用不同视点对同一物体的视差来测定距离的方法。对同一个物体，分别在两个点上进行观测，两条视线与两个点之间的连线可以形成一个等腰三角形，根据这个三角形顶角的大小，就可以知道这个三角形的高，也就是物体距观察者的距离。
三角视差法的单位一般取秒差距（PC），一秒差距为3.26光年。
除了三角视差法，还有分光视差法、星团视差法、统计视差法、造父视差法，和力学视差法等。
分光视差，星团视差等我们不谈，我们就说说比较有名的造父视差法。
说到造父视差法，就得说说造父变星了。造父变星，是变星的一种，它的光变周期，也就是亮度变化一周的时间与它的光度成正比。造父变星中，最典型的就是仙王座δ(中文名造父一)而得名。由于根据造父变星周光关系可以确定星团、星系的距离，因此造父变星被誉为“量天尺”。
恒星的命运
因为恒星质量有所不同，它们的命运也是不同的。
低质量恒星（质量小于2.3倍太阳质量的恒星），目前我们尚且无法得知他的演化终点，宇宙的年龄还很年轻，才138亿年，不足以让这些恒星燃尽核心内的氢。不过根据计算，低质量恒星最终会形成两种不同的白矮星。若质量小于0.5倍太阳质量则为氦白矮星，大于0.5倍小于2.3倍则为C-O白矮星。
中等质量恒星（2.3~8倍太阳质量的恒星）到达红巨星阶段时，恒星的外壳会向外膨胀，核心向内压缩，产生氦聚变为碳的核反应。这种聚变会暂时延缓恒星的死亡，对于太阳大小的恒星，这过程大约持续数十亿年。
中等质量恒星的结局，一般是恒星的外壳脱离恒星，成为行星状星云。而行星状星云的中心留下的核心将冷却，在引力的作用下变成C-O白矮星。
大质量恒星，即超出太阳8倍质量的恒星，是恒星中的巨无霸，它们通常为O型和B型，占银河系的10%。
质量大于60倍太阳质量的恒星，将会以以下的途径进行演化：
O型星——Of型星——蓝超巨星——亮蓝变星——WN型沃尔夫—拉叶星——WC型沃尔夫—拉叶星——超新星。
对于40~60倍太阳质量之间的恒星的演化，将会是：
O型星——蓝超巨星——黄超巨型——红超巨星——超新星
对于25~40倍太阳质量之间的恒星的演化，将会是：
O型星——蓝超巨型——黄超巨型——红超巨星——蓝超巨星——WN型沃尔夫—拉叶星——超新星。
对于质量小于25倍太阳质量星的演化，将会是（有两条）：
O型星——蓝超巨星——红超巨星——超新星（质量介于25~20倍太阳质量）。
O型星——红超巨星——造父变星——红超巨星——超新星（质量小于20倍太阳质量的星）。
无论是什么大质量恒星，它们的结局都会以史诗级的爆发谢幕——超新星爆发。
巨量的物质将会以高达十分之一光速的速度向外抛散，并向周围的星际物质辐射激波，激波会形成一个膨胀的气体和尘埃构成的壳状结构，这被称作超新星遗迹。
在爆发时，突发的电磁辐射经常能够照亮其所在的整个恒星系，仿佛在向全星系宣告了它们的死亡。这种辐射可持续几周至几个月，一颗超新星辐射的能量可以与太阳一生所辐射的能量所媲美。
超新星爆发过后，核心区将会变成以下两种结果：
第一种是中子星，一般是初始质量大于10倍太阳质量的大质量恒星形成，是超新星爆炸遗留下的核。中子星是仅次于黑洞外最大的星体，它的质量一般为1.5~2.5倍太阳质量，但不超过3倍太阳质量，即奥本海默极限。中子星半径只有10KM左右，但密度可高达10的15次方每立方厘米。同时，有些快速自转并且有很强磁强的中子星会不断地发出电磁脉冲新号，被称为“脉冲星”。
第二种则是黑洞。超过20倍太阳质量的大质量恒星演化成红巨星后继续演化。但是由于中子简并态压力无法顶住太过于强大的引力，无法稳定在中子星，就会坍缩为“黑洞”。
黑洞只具有三种性质：质量，电荷，角动量。根据这三种性质分为四种黑洞，分别是：
史瓦西黑洞，即只有质量，不带电荷，也不旋转的“理想”黑洞。
R-N黑洞，全称莱斯纳—诺兹特隆黑洞，是带有质量与电荷但不旋转的黑洞。
克尔黑洞，即拥有质量与会旋转的黑洞，但没有电荷。
克尔纽曼黑洞，三种性质都具备的黑洞。
黑洞的时空曲率是无限大的，以外在形式表现则为引力无限大，就连光线也无法逃脱黑洞的“魔爪”。
本次科普即将结束，因为字数原因，恒星这个庞大的家族我并没有完全说全，比如赫罗图，超新星如何细分，黑洞的详细性质，白矮星的具体机制等，感兴趣的读者可以查阅相关资料。另外文中关于黑洞和中子星形成的初始恒星质量仅供参考，各个文献数据各不同。
参考引源：
黑洞物理学综述_朱培豫
受控热核聚变研究进展_ 核工业西南物理研究院 杨青巍 丁玄同 彦龙文 钟武律
恒星物理》第二版（黄润乾）
《第一推动丛书》千亿个太阳—恒星的诞生、演变和衰亡
恒星与行星的诞生（美）约翰·巴利
恒星的诞生、演化和死亡（苏联）
恒星的结构来自百度
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