XLI：恒星的一生｜终于绚烂

知识点I：红矮星（0.08-0.5M⊙）的结局

红矮星的质量非常小，内核温度比较低，核聚变进行得十分温和，寿命非常长，最长可以用万亿年来计。当红矮星内核的氢燃料烧完后会留下氦滤渣，由于质量小，引力不能把恒星内核压缩到很高的温度，无法引起氦聚变反应，因此，红矮星几乎不会产生新的能量，未来的结局可能就是静静地烧完，温度越来越低，颜色也越来越红，越来越暗，最后变成黑矮星。不过，由于红矮星寿命极长，我们可能永远都没机会那么到所谓的黑矮星。

知识点II：小质量恒星（0.5-3M⊙）的结局

红巨星：当核心部分的氢燃料逐渐烧完，恒星核心没有能力持续产生足够的能量，向外的辐射压力明显减小，指向中心的引力将占据上风。核心部分在引力的作用下迅速收缩，引力势能转化为热能，核心的温度得到提升，从而将核心外围的物质推开。恒星的核心在收缩的同时，外壳却在膨胀。当恒星内核温度达到1亿开时，氦原子核将作为新的燃料，继续聚变铍8核。铍核不稳定，会迅速裂变为氦4。然而，铍核还能与氦核聚合生成碳12，碳12也能与氦4聚变成为氧16。每个反应都有氦核参与。氦燃烧的效率大约只是氢燃烧的1/5。氦燃烧产生的能量让恒星直径膨胀到太阳的200倍，表面温度下降到4000开左右。成为一颗红巨星。太阳的未来就是如此，可能大到地球轨道附近。

行星状星云：当氦燃烧留下碳、氧炉渣后，引力战胜压力让核心收缩。然而，由于恒星的质量不够大，引力作用有限，并不能使核心温度继续升高，达不到点燃碳和氧的水准，收缩产生的热能只能让临近核心的壳层中的氦继续燃烧，壳层会大大地膨胀，逐渐与核心脱离，弥漫到星际空间中成为漂亮的行星状星云。随着残余燃料慢慢耗尽，无法持续照亮星云，大约2- 5万年后，行星状星云将逐渐黯淡下去。

白矮星：壳层向外膨胀的同时，内核收缩到一个很小的空间内，密度达到6×10^7g/cm³，形成电子简并压力，对抗引力达到新的平衡，一颗白矮星诞生了。值得一提的是，红巨星外壳抛掉成为行星状星云后，里面的白矮星才裸露出来，光度瞬间骤降，所以这类恒星在赫罗图上的轨迹将从红巨星一下子跳跃到白矮星。

知识点III：中等质量恒星（3-9M⊙）的结局

如果恒星质量较小，表面温度比主序阶段有所下降，但依然在5000开以上，成为一颗红巨星或红超巨星。如果质量>7倍太阳质量，表面温度可以达到10000开以上，它将成为蓝巨星。

中等质量恒星经历氢燃烧、氦燃烧后，由于恒星质量较大，还可以继续收缩，核心温度达到8亿开，足以点燃碳燃烧。碳氧燃烧的产物是Mg、Si、P、S等原子核。电荷数增大意味着原子核与原子核之间的“库仑壁垒”变得更大，隧穿概率变得很低很低。在中等质量恒星中，碳的核聚变反应的速度相当惊人，在<1秒的时间里碳就燃烧殆尽了，甚核心区还来不及膨胀降温，这种现象被称为“碳闪”。迅速的燃烧导致剧烈的爆炸，将外壳炸开，成为Ia型超新星的一种。在爆炸中，构成恒星的全部物质都将抛到星际空间。质量小的恒星内核会收缩留下一颗白矮星，质量大一些的可能荡然无存，粉身碎骨，留下非常美丽弥漫星云。

知识点IV：大质量恒星（>9M⊙）的结局

由于总质量足够大，碳燃烧得以稳定进行，不会造成“碳闪”。碳燃烧产生Mg、Si、P、S、Ne、Na等元素原子核。当内核温度达到10亿开时，氧燃烧进行，炉渣是Si、P、S。

当核心温度超过20亿开，氧燃烧留下的炉渣也成为新的燃料。当温度达到35亿开时，会引发光裂变反应：

除了光裂变反应外，还有一种反应，称为α过程或硅燃烧，光裂变反应的产物会有机会与氦发生聚合产生原子量更大的原子核，而硅燃烧的产物还能再与氦聚合形成更重的原子核。

铁是所有原子核中结合能最大的物质，一旦生成了铁（还有少量的钴、镍、铜、锌），恒星内部就不会再产生新的能量了，恒星距离死亡不远了。

大质量恒星往往体型庞大，燃料充分，外层温度与核心温度相差巨大，从外向内分别进行着氢燃烧、氦燃烧、碳燃烧、氧燃烧、硅燃烧……直到内核出现铁。这一恒星模型被称为“巨型洋葱头”。从外面看，恒星体态臃肿，可以将火星、木星甚至土星都吞进去，比红巨星要大许多，所以被称为红超巨星或蓝超巨星。而内部，压力极不稳定，会使恒星多次进入体积胀缩不定的状态，变成脉动变星。

一旦核心温度达到40亿开时，光子会拥有极高的能量，穿入铁核，将其瞬间击碎，释放出大量质子和中子，质子又遇电子结合成为中子，释放出中微子。这种反应消耗大量能量，恒星内核压力亏损相当明显，引力占据绝对上风，恒星将发生疾速坍缩，核心留下中子星或黑洞。壳层被坠落反弹形成的冲击波撞得粉碎，引发II型超新星爆炸。