科普丨《千亿个太阳》：40年经久不衰的经典天文科普，20分钟了解恒星的一生

40年经久不衰的经典天文科普，20分钟了解恒星的一生

太阳是一颗恒星，“千亿个太阳”就是“千亿个恒星”的意思。本书以太阳为例，介绍了恒星如何走过它的生命周期。

恒星的特点是什么呢？它与其他星体有什么不同？

恒星能够持续、稳定地通过燃烧自身，释放能量，这是恒星最大的特点。以太阳为例，太阳每秒钟辐射出来的总能量是10的23次方千瓦。 

恒星的能量源于恒星内部的核聚变。核聚变的原理是，质量比较轻的原子相互碰撞，形成质量比较重的原子。在聚变反应的过程中，会有一点点质量的损失，同时释放的能量却是巨大的。根据爱因斯坦的质能方程E=m*c^2，损失掉的这一点质量乘上光速的平方，就是释放出来的能量。具体来说，1克氢原子发生聚变反应，可以释放出6300亿焦耳的能量，这个数字，相当于同重量煤炭燃烧释放出能量的2000万倍。

恒星的另一个特点是，它是有寿命的。恒星是一个有限的物体，它不可能无止境地燃烧下去，它会经历出生、青壮年、老年和死亡这个过程。当恒星死亡之后，会以另一个状态存在于宇宙之中。

我们怎么知道千亿个恒星到底是年轻还是苍老呢？

为了确定恒星的年龄，天文学家们将恒星的分类简化成两种可测量的指标，分别是恒星的表面温度和光度。

天文学领域有一种衡量温度的方法，叫做色温。人们可以用恒星的颜色，来确定恒星表面的温度，温度越高，恒星的颜色由白至蓝，温度越低，恒星的颜色就越来越红。

光度则代表着一颗恒星释放的总能量，表现在我们地球人眼中的，就是这颗星到底有多亮。测量出一颗恒星的亮度，以及它与地球的距离，就可以得出一颗恒星的光度。

有了表面温度和光度这两个指标，我们就可以对恒星进行分类了。你可以想象这样一个坐标系，水平x轴代表恒星的表面温度，越往右边延伸，温度越低。竖直y轴代表光度，越往上延伸，光度越高，恒星的质量也越大。每一颗恒星，都可以这个在坐标系中找到它自己的位置。

这就是在天文学上最有用的关系图——赫罗图。

当天文学家们将恒星排列在赫罗图上以后，规律就显现了出来。恒星们自然而然地分成了三个部分：90%的恒星规律地排成了一条从左上角平滑向右下角延伸的曲线，剩下的恒星有一部分在曲线的右上角，一部分在曲线的左下角。天文学家们将曲线上的恒星称为主序星，也就是正常恒星；右上角的恒星光度很大，质量也很大，但温度较低，颜色呈红色，因此叫做红巨星，或者红超巨星；而左下角温度高但光度低、质量也小的恒星叫做白矮星。

主序星就像人类的青壮年，还能发光发热几十亿年；红巨星或者红超巨星体积庞大，但能够持续发光发热的时间远小于主序星，像人类的中老年人；而白矮星体积很小、能发出的总热量已经很小了，像人类中风烛残年的老人。

恒星的诞生、衰老和死亡三个阶段。

恒星是怎么诞生的？茫茫的星际空间中充满了气体和尘埃物质。由于万有引力作用，气体和气体、尘埃和尘埃之间相互吸引，慢慢地聚拢到一起。这样滚雪球滚了几十万年之后，越来越多的气体和尘埃向中心靠拢，中心附近的气体密度逐渐增加，变得不透明了。原本中心区域物质高速运动和碰撞产生的能量，能够毫无阻碍地辐射到太空中，但是，当中心附近气体不透明之后，这些能量就无法辐射出去了，中心区域的温度就变得越来越高。

在温度升高的同时，中心集聚的物质也一直在发生变化。在宇宙初期，气体和尘埃物质主要由氢原子组成。当中心温度达到1000万度时，氢原子之间开始发生聚变反应，一颗恒星正式诞生了。

为什么说氢聚变发生时，才是一颗恒星正式诞生呢？这是因为，当恒星发生氢聚变之后，它不再需要靠吸引气体和尘埃产生能量，它自身就能稳定地长时间地提供能量。

恒星和坚硬的地球不一样，它从出生开始，就是一个气体球。这是因为恒星内部的温度太高了，导致原子失去了外层的电子，原子核和电子都自由地在恒星内部飞行，这样一来，就造成了两个结果：第一，失去了电子的原子核占据的空间要小得多，所以恒星内部的密度非常高；第二，因为原子核和电子不能稳定下来，所以它仍然是气体。

恒星是一个气体球，所以它始终要保持内部相对平衡，以保持自己的体积不会有变化。恒星向内的引力和向外的气体压强基本相等。假如没有气体压强，那么恒星的所有物质都会向中心坍缩；假如没有引力，那么气体压强就会把全部物质抛散到空间中去。

如果，当恒星离开主序带，那就意味着它开始衰老了。当核中心的氢原子被烧完时，就是恒星步入衰老期的标志。

当太阳的核中心的氢全部被烧掉的时候，它会形成一个全是氦原子的核。而恒星的外壳，仍然富含氢原子。这个时候，氦核还没有开始燃烧，因为氦发生聚变需要的温度要更高。但是在氦球的表面，也就是氦与氢两种物质交界的地方，还在继续发生着聚变反应，氢燃烧生成的氦不断并入到氦球中，氦球的质量在不断增大。氦球的质量增大，引力更强，导致氦核不断向内收缩。为了平衡氦核产生的引力，太阳的外壳不断向外膨胀。膨胀的外壳，让太阳的温度降低，太阳的颜色自然就变了，变成了红色，这时候的太阳就变成了红巨星。它在赫罗图上的位置，就会脱离主序带，移动到右上角。

质量越大的恒星，将会更早地迎来衰老期，它们的衰老过程比太阳要更加复杂。

超过2倍太阳质量的恒星，它们核心区域变成氦球之后，温度可以达到1亿度，达到了氦核聚变的温度。氦核聚变成碳核，恒星内部的氦球就变成了一个碳球。

在衰老的过程中，大质量的恒星还会发生周期性的脉动。就是说恒星好像变成了一个气球，会自己膨胀、收缩。当恒星受引力作用向内压缩时，气体压强增大，向外膨胀，但是压缩产生的热量不能很好地穿过恒星的外层，这就相当于气体压强比维持平衡的状态时还要更大一些。于是，在气体压强的作用下，恒星的外部壳层膨胀得更厉害。当外部壳层膨胀到最大程度时，物质又变得透明起来了，它能比正常的情况透过更多的辐射，气体压强减小，引力又占了上风，外部壳层向内收缩，如此循环往复。

衰老以后，恒星是如何走向生命的终点呢？

当恒星走向死亡时，不同质量的恒星也会有不同的结局。

先来看太阳的死亡方式。太阳外壳的相当一部分会被抛到星际空间中去，太阳的内核最终变成一颗白矮星，再也没有足够的温度进行核聚变来发光发热。

那些质量在1.4个太阳和10个太阳之间的恒星，它的核心聚变成了一颗碳核，它的结局可能有两种情况：

第一种情况是，碳核的温度在持续上升，试图达到让碳发生聚变的温度。但是，高温会促使核心中带电的粒子结合为不带电的粒子，使恒星内部冷却。这样一来，碳的燃烧就被阻止了。当最后终于开始发生碳聚变时，长期被延缓的反应以爆炸的形式发生，整颗恒星破碎，从而结束了生命。

但也有可能发生第二种情况，在碳核阶段，碳的密度已经非常高了，碳核演变成了一颗白矮星，它不再进行核聚变。但是外部壳层还在不断燃烧、聚变，被抛向星际空间，形成爆炸。天文学家将这种现象称为超新星爆炸。而恒星内部剩下的白矮星，在1分钟之内，就形成了密度仅次于黑洞的星体，叫做中子星。

那些大于10倍太阳质量的恒星，它们走向终点的方式叫做铁心灾变。碳核发生聚变后，可能变成镁、氧、氖、钠等不同类型的原子。不过，这样的聚变，最后会在变成铁原子后停止。这是大自然设定的一个规律。因为如果人们要去聚合铁原子核，不会产生能量，而是会耗费能量。

所以大质量的恒星中心区最终会演变成一个气态铁组成的球体，铁原子核会捕捉气体中来回飞驰的电子，而电子是形成气体压力的主要因素。当电子被捕获，并且消失在原子核中以后，引力占据了上风，铁球会不断向内部收缩，直到所有的质子都和电子合并成了中子，恒星内部就变成了中子物质，恒星变成了中子星。这个过程非常快，恒星外部物质承受不了巨大的能量，也会出现超新星爆炸现象，最终演化为一颗中子星。

如果一颗恒星到临近死亡时，剩下的物质的质量还是太多，既不能形成白矮星，也不能达到平衡态形成中子星，那么它们就会受内部引力的作用，不断向内坍缩，最终变成了一个黑洞，那是一种连光线都无法逃脱的天体。

总的来说，不管恒星最终是变成中子星、白矮星或者黑洞，它们都是一种密度非常高的天体，这些物质将永恒地停留在星际空间中，这就是几乎所有的恒星冰冷而乏味的未来。不过，恒星那巨大的外壳，又都会回到星际空间之中，为新一代恒星的诞生做好物质基础。

书           名：千亿个太阳

作           者：鲁道夫·基彭哈恩

主    讲   人：陈曦

主讲人简介：从事财经工作，多平台撰稿者

主           播：沈怡育

策 划  编 辑：陈聪明

总    编    辑：徐苑