恒星的燃料總有耗盡的一天。但這一天究竟會(huì)在什么時(shí)候到來(lái)？

4:12 宇宙 / 星塵 來(lái)自星空天文網(wǎng)

NASA / 太陽(yáng)動(dòng)力天文臺(tái)

恒星的演化并不是一蹴而就的事。氫轉(zhuǎn)變?yōu)楹?，氦轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐脑?，直到最終的災(zāi)難性結(jié)局。這期間存在著不同的階段，各個(gè)階段內(nèi)存在著很多轉(zhuǎn)化過(guò)程。

NASA

要理解這一切，我們就需要從恒星的誕生講起。首先，我們要找到一顆新生的恒星，它們通常存在于巨大的疏散星團(tuán)內(nèi)。

ESA / NASA

在一個(gè)年輕的星團(tuán)內(nèi)，通常會(huì)有許多質(zhì)量各不相同的恒星。有質(zhì)量最大、溫度最高的O級(jí)和B級(jí)恒星——它們的質(zhì)量是太陽(yáng)的幾十甚至幾百倍；也有質(zhì)量最小、顏色最紅、最昏暗的M級(jí)恒星。此外還有許多所謂的“失敗的恒星”——褐矮星。恒星的顏色、亮度和質(zhì)量的關(guān)系，如下圖所示。

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總的來(lái)說(shuō)，在這種對(duì)應(yīng)關(guān)系中起決定性作用的，是它們的“質(zhì)量”。但是實(shí)際情況更加微妙，也更具啟發(fā)性。

恒星發(fā)光的根本原因是它們的內(nèi)核正在發(fā)生核聚變。即使是質(zhì)量最低的M級(jí)恒星，也包含了相當(dāng)于25000個(gè)地球質(zhì)量的物質(zhì)。這些物質(zhì)在氣體云階段時(shí)，會(huì)在自身引力的作用下收縮，逐漸形成原恒星，它們內(nèi)核的密度和溫度會(huì)極大地升高，最終引發(fā)能夠自我維持的核聚變反應(yīng)。

質(zhì)子的鏈?zhǔn)骄圩兎磻?yīng)。Randy Russell

造成藍(lán)星、亮星和紅星、暗星區(qū)別的主要原因，是它們內(nèi)部的溫度。太陽(yáng)核心的溫度大約在1500萬(wàn)K，那里的核聚變反應(yīng)在一定程度上進(jìn)行得相當(dāng)迅速。

但是在恒星的外層，聚變的速度會(huì)隨著溫度的逐漸降低而呈指數(shù)級(jí)下跌。在距太陽(yáng)核心大約25%半徑的地方，溫度大約降低了二分之一，而聚變的速度只有核心的1%都不到。

B. Stromgrew (1965)

這就是為什么溫度是太陽(yáng)一半的恒星存活期是太陽(yáng)的一百倍，而那些超級(jí)熾熱、質(zhì)量是太陽(yáng)數(shù)百倍的恒星，連太陽(yáng)壽命的0.1%都活不到。

ESO

這是恒星的先天因素。而在恒星的一生中，隨著它們持續(xù)燃燒，燃料會(huì)逐漸消耗。燃料的消耗會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部區(qū)域發(fā)生坍縮。坍縮是一種在絕熱條件下發(fā)生的體積變化，也就是說(shuō)熱量不會(huì)向外部轉(zhuǎn)移。因此該區(qū)域的熵將保持不變，但是溫度卻會(huì)上升。于是聚變反應(yīng)會(huì)逐層向外推進(jìn)，聚變速度也會(huì)加快。

這就意味著恒星的溫度和亮度會(huì)隨著它們年齡的增長(zhǎng)而逐漸上升。

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恒星的燃燒會(huì)產(chǎn)生輻射壓，這種輻射壓能夠抵擋住引力引發(fā)的坍縮。太陽(yáng)之所以能夠保持球形，就是因?yàn)槠鋬?nèi)核持續(xù)產(chǎn)生的向外輻射壓和向內(nèi)的引力拉扯大致相等。但是一旦恒星內(nèi)核以及恒星各層結(jié)構(gòu)中的燃料耗盡，輻射壓陡然下降，引力就會(huì)勝出。

在這個(gè)時(shí)候，恒星面前只有兩個(gè)選擇：要么收縮內(nèi)核，提高溫度，點(diǎn)燃更多元素——無(wú)論是氫、氦，還是許多大質(zhì)量恒星中的碳——進(jìn)行核聚變反應(yīng)；要么不收縮內(nèi)核，等待溫度升高，直至下一階段的聚變反應(yīng)開(kāi)始——太陽(yáng)演化到晚期時(shí)可能就會(huì)這樣。

Casey Reed / J. Hester

氦核的形成需要很久——即使對(duì)于大質(zhì)量恒星而言也需要用上幾百萬(wàn)年時(shí)間。氦的燃燒時(shí)間只有氫的10%。而從碳的燃燒開(kāi)始，直至鐵核的形成，并最終導(dǎo)致超新星爆發(fā)，只需一千年左右。

斯溫伯恩理工大學(xué)

正如50-70億年后的太陽(yáng)那樣，當(dāng)一個(gè)類日恒星的內(nèi)核氫燃料耗盡后，會(huì)首先膨脹為一個(gè)亞巨星。這段時(shí)間會(huì)持續(xù)大約幾億年，隨后氦被點(diǎn)燃，膨脹成紅巨星。在成為亞巨星前，它會(huì)首先離開(kāi)主序階段。

相對(duì)于主序階段而言，其他階段都較快。“主序”的意思可以理解為恒星一生中的主要階段。

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在質(zhì)量相對(duì)較高的恒星內(nèi)部，溫度決定了一切。對(duì)流作用在那里相當(dāng)緩慢，因此不足以把所有元素充分地混合在一起。這就是為什么太陽(yáng)在幾十億年后耗盡它自己制造出來(lái)的氦后會(huì)熄滅；除了質(zhì)量最小的M級(jí)恒星，新的元素若想循環(huán)進(jìn)入恒星內(nèi)核需要幾千億年時(shí)間。

Ethan Siegel / 老孫