试论述恒星的起源与演化，并指出其演化的三种结局（救命啊）

Question

救命啊，急

Answer 1

恒星的诞生

恒星的演化开始于巨分子云。一个星系中大多数虚空的密度是每立方厘米大约0.1到1个原子，但是巨分子云的密度是每立方厘米数百万个原子。一个巨分子云包含数十万到数千万个太阳质量，直径为50到300光年。

在巨分子云环绕星系旋转时，一些事件可能造成它的引力坍缩。 巨分子云可能互相冲撞，或者穿越旋臂的稠密部分。邻近的超新星爆发抛出的高速物质也可能是触发因素之一。最后，星系碰撞造成的星云压缩和扰动也可能形成大量恒星。

坍缩过程中的角动量守恒会造成巨分子云碎片不断分解为更小的片断。质量少于约50太阳质量的碎片会形成恒星。在这个过程中，气体被释放的势能所加热，而角动量守恒也会造成星云开始产生自转之后形成原始星。

恒星形成的初始阶段几乎完全被密集的星云气体和灰尘所掩盖。通常，正在产生恒星的星源会通过在四周光亮的气体云上造成阴影而被观测到，这被称为博克球状体。

质量非常小（小于一个太阳质量）的原始星的温度不会到达足够开始核聚变的程度,它们会成为棕矮星，在数亿年的时光中慢慢变凉。大部分的质量更高的原始星的中心温度会达到一千万开氏度，这时氢会开始聚变成氦，恒星开始自行发光。核心的核聚变会产生足够的能量停止引力坍缩，达到一个静态平衡。恒星从此进入一个相对稳定的阶段。如果恒星附近仍有残留巨分子云碎片，那么这些碎片可能会在一个更小的尺度上继续坍缩，成为行星、小行星和彗星等行星际天体。如果巨分子云碎片形成的恒星足够接近，那么可能形成双星和多星系统。

恒星的中年

恒星有不同的颜色和大小。从高热的蓝色到冷却的红色，从0.5到20个太阳质量。恒星的亮度和颜色依赖于其表面温度，而表面温度则依赖于恒星的质量。大质量的恒星需要比较多的能量来抵抗对外壳的引力，燃烧氢的速度也快得多。

恒星形成之后会落在赫罗图的主星序的特定点上。小而冷的红矮星会缓慢地燃烧氢，可能在此序列上停留数千亿年，而大而热的超巨星会在仅仅几百万年之后就离开主星序。像太阳这样的中等恒星会在此序列上停留一百亿年。太阳也位于主星序上，被认为是处于中年期。在恒星燃烧完核心中的氢之后，就会离开主星序。

恒星的成熟
在形成几百万到几千亿年之后，恒星会消耗完核心中的氢。大质量的恒星会比小质量的恒星更快消耗完核心的氢。在消耗完核心中的氢之后，核心部分的核反应会停止，而留下一个氦核。

失去了抵抗重力的核反应能量之后，恒星的外壳开始引力坍缩。核心的温度和压力像恒星形成过程中一样升高，但是是在一个更高的层次上。一旦核心的温度达到了1亿开氏度，核心就开始进行氦聚变，重新通过核聚变产生能量来抵抗引力。恒星质量不足以产生氦聚变的会释放热能，逐渐冷却，成为红矮星。

积热的核心会造成恒星大幅膨胀，达到在其主星序阶段的数百倍大小，成为红巨星。红巨星阶段会持续数百万年，但是大部分红巨星都是变星，不如主序星稳定。

恒星的下一步演化再一次由恒星的质量决定。

恒星的晚年和死亡
低质量恒星

低质量恒星的演化终点没有直接观察到。宇宙的年龄被认为是一百多亿年，不足以使得这些恒星耗尽核心的氢。当前的理论都是基于计算机模型。

一些恒星会在核心进行氦聚变，产生一个不稳定和不平衡的反应，以及强烈的太阳风。在这种情况下，恒星不会爆发产生行星状星云，而只会耗尽燃料产生红矮星。

但是小于0.5倍太阳质量的恒星甚至在氢耗尽之后都不会在核心产生氦反应。像比邻星这样的红矮星的寿命长达数千亿年，在核心的反应终止之后，红矮星在电磁波的红外线和微波波段逐渐暗淡下去。

中等质量恒星

达到红巨星阶段时，0.4到3.4太阳质量的恒星的外壳会向外膨胀，而核心向内压缩，产生将氦聚变成碳的核反应。聚变会重新产生能量，暂时缓解恒星的死亡过程。对于太阳大小的恒星，此过程大约持续十亿年。

氦燃烧对温度极其敏感，造成很大的不稳定。巨大的波动会使得外壳获得足够的动能脱离恒星，成为行星状星云。行星状星云中心留下的核心会逐渐冷却，成为小而致密的白矮星，通常具有0.6倍太阳质量，但是只有一个地球大小。

在重力和电子互斥力平衡时，白矮星是相对稳定的。在没有能量来源的情况下，恒星在漫长的岁月中释放出剩余的能量，逐渐暗淡下去。最终，释放完能量的白矮星会成为黑矮星，但是目前宇宙的年龄不足以使得这样的星体存在。

在同时形成的双星或者多星系统中，恒星际质量交流可能改变演化过程。因为一部分质量被其他恒星获得，系统中质量较大的恒星的红巨星阶段演化会被加速，而质量较小的恒星会吸收一部分红巨星的质量，在主星序停留更长时间。举例来说，天狼星的伴星就是一颗年老的大约一个太阳质量的白矮星，但是天狼星是一颗大约2.3个太阳质量的主序星。

如果白矮星的质量超出钱德拉塞卡极限，电子互斥力会不足以抵抗引力，而会继续坍缩下去。这会造成恒星向外抛出外壳，也就是超新星爆发，标记着恒星的死亡。也就是说，不会有大于1.4倍太阳质量的白矮星。

如果白矮星和另外一颗恒星组成双星系统，那么白矮星可能使用来自另外一颗恒星的氢进行核反应并且将周围的物质加热抛出，即使白矮星的质量低于1.4倍太阳质量。这样的爆炸称为新星。

大质量恒星

在超出5倍太阳质量的恒星的外壳膨胀成为红超巨星之后，其核心开始被重力压缩，温度和密度的上升会触发一系列聚变反应。这些聚变反应会生成越来越重的元素，产生的能量会暂时延缓恒星的坍缩。

最终，聚变逐步到达元素周期表的下层，硅开始聚合成铁。在这之前，恒星通过这些核聚变获得能量，但是铁不能通过聚变释放能量，相反，铁聚变需要吸收能量。这会造成没有能量来对抗重力，而核心几乎立刻产生坍缩。

恒星演化的下一步演化机制并不明确，但是这会在几分之一秒内造成一次剧烈的超新星爆发。和轻于铁的元素同时被抛出的中微子形成一个冲击波，在被抛出的物质吸收后，形成一些比铁重的放射性元素，其中最重的是铀。没有超新星爆发的话，比铁重的元素不会存在。

中微子冲击波继续将被抛出的物质推出。被抛出的物质可能和彗星带碰撞，可能形成新的恒星、行星和卫星，或者成为各种各样的天体。

现代科学尚未明确超新星爆发的机制，以及恒星残骸的成分，但是已知有两种可能的演化终点：中子星和黑洞。

中子星
在一些超新星之中，电子被压入原子核，和质子结合成为中子。使得原子核互相排斥的电磁力消失之后，恒星成为一团密集的中子。这样的恒星被称为中子星。

中子星的大小不超过一个大城市，但是极其致密。由于大部分角动量残留在恒星中，它们的自转会极快，有些甚至达到每秒钟600转。恒星的辐射会被磁场局限在磁轴附近，而随恒星旋转。如果磁轴在自转中会对准地球，那么在地球上每次自转过程中都可能观测到一次恒星的辐射。这样的中子星被称为脉冲星，是最早被发现的中子星。

黑洞
被广泛承认的是并非所有超新星都会形成中子星。如果恒星质量足够大，那么连中子也会被压碎，直到恒星的半径小于史瓦西半径，成为一个黑洞。

黑洞被广义相对论所预言。根据传统的广义相对论，没有任何物质或者信息可以从黑洞中逃出，但是量子力学允许一些例外。黑洞的存在被理论和天文观测广泛支持。

但是仍有一些问题尚待解决。当前的超新星爆发理论尚未完善，不能说明是否恒星可能压缩成为黑洞而不经过超新星爆发，是否有超新星形成的黑洞，以及恒星的初始质量和演化终点的关系。

参考资料：恒星演化论

Answer 2

不同的恒星，会有不同但是总体大致相似的一生：
1、形成阶段：恒星在一片混沌的星云中由星云气体和尘埃汇集而成，星云的中间部分逐渐凝结在了一起形成了一颗星体（这颗星体叫做原恒星），而外部星云则开始形成一个圆环，围绕着中心星体旋转。而这些外围星云，则是后面形成诸行星和其它星体的材料。
2、幼年阶段：当恒星的质量因为星云中的气体、尘埃不停聚集而变大，最终导致内部温度达到了足够发生核反应时，这颗星体就被“点燃”，开始了全星体范围的核聚变反应，一颗恒星就此诞生了。恒星在幼年阶段亮度较暗，但是却可以放射出比中年期更为强大的恒星风。
3、中年期（主序星期）：这时候恒星稳定“燃烧”，主要发生氢元素的核聚变反应，它的光、热和引力稳定而深远地影响着它所统治的星系。
4、晚年期：这时候的恒星内部氢元素消耗殆尽，接着恒星的氢元素聚变产生的热膨胀力以及辐射能不能够和恒星本身的万有引力相抗衡，接着恒星坍缩，当坍缩的恒星达到了氦元素聚变的温度时，氦元素开始聚变，氦元素聚变可以释放出比氢元素聚变还要巨大的能量，使得恒星极不稳定。
如果是中小型行星（除了棕矮星和小型红矮星），则有：
氦元素聚变产生的热膨胀力和辐射能大于恒星本身的万有引力，这使得恒星变得很大很大，体积要大上几百倍甚至几千倍，亮度也因为聚变能量更大的氦聚变而变得亮很多。这个阶段叫做恒星的红巨星阶段。由于恒星的质量有限，恒星不能再进行坍缩，热量无法再次集中，所以氦元素只聚变为了碳元素，没有引发下一步聚变。恒星得以保持上亿年甚至更久的红巨星阶段。
如果是大行星或者是巨行星，则有：
氦元素聚变为碳元素，而其聚变产生的热膨胀力和辐射能不足以和恒星巨大的万有引力相抗衡，恒星并没有膨胀为红巨星，而是开始了碳元素的核聚变反应，而碳元素和核聚变反应放出的能量更为巨大，恒星的体积变大，光度变大几百倍甚至几千倍，颜色变成白色甚至是蓝白色，这个阶段叫做超新星阶段。这个阶段的恒星像硝化甘油炸弹一样极度不稳定，很有可能下一秒钟就发生超新星爆发。
5、终结时刻：不同的恒星，有不同的“死法”。
先说说中小恒星：
中小恒星在氦聚变中膨胀为红巨星，最后由于氦元素反应殆尽，而聚变产生的碳元素无法再次聚变，恒星最后会很安静地坍缩，内核坍缩为体积很小，密度很大的白矮星，外部结构则像烟云一样散开，变成了曾经构成过恒星的星云。而中小恒星的“尸体”白矮星在几百万年的时间中将逐渐散去光和热，最后变成一颗又冷又黑的黑矮星。另外要提到的是棕矮星不会变成红巨星，质量不超过太阳质量0.4倍的红矮星也是不会变成红巨星的，因为即使它们的氢元素耗尽，他们也没有足够的引力来坍缩星体凝聚热量来达成氦聚变的。
而我们再说说大型恒星和巨型恒星的“暴死”：
超新星阶段的恒星，碳元素的核聚变非常快，放出的能量也非常大，但是依然不足以令恒星严重膨胀，这导致恒星的温度继续升高，碳元素聚变产生的硅元素再次发生核聚变，产生更高的能量，而这个疯狂的轮回会越来越快，越来越剧烈，直到稳定的铁元素的产生。而此时恒星内部的热膨胀力和辐射能已经可以突破恒星巨大的万有引力的束缚了，这时候的恒星则会“hold不住”了，像气球充多了气一样炸开————超新星爆发甚至是极超新星爆发了！超新星爆发是宇宙中已知的最暴虐的天文现象，它产生了极强的光辐射、热辐射、爆炸冲击波、电磁辐射甚至是伽马射线暴，甚至有些巨行星发生的极超新星爆发能够把半径上百光年的地方通通炸平，爆炸威力波及上千光年半径的宇宙空间（著名的天鹰座“创世之柱”就被一千年前的一次超新星爆发的冲击波中被吹散）
接着，超新星的内核坍缩，变成致密程度达到你想象不到的东西——中子星或者黑洞，即大型恒星的“尸体”。
而超新星爆发时比铁元素更重的元素在超新星爆发中由新聚变形成。
所以说，我们的太阳系至少经过一次极超新星爆发的轮回才形成。
这里附带说一说恒星的寿命：恒星越大，燃料消耗就越快，寿命就越短。比如说天津四，寿命只有数百万年，而小恒星比如说比邻星，它的燃料消耗很慢，寿命达数百亿年，等我们的太阳“死了”，它依然处于青年期。
总结上文，恒星演化有三种结局：一、小于0.4倍太阳质量的恒星寿命太变态，以千亿年计，人类还没有观察到这种恒星的演变结局。大于0.4倍太阳质量，小于5倍太阳质量的恒星会变成红巨星，最后留下白矮星直至变成黑矮星的“尸体”和星云。二、大于5倍太阳质量小于20倍太阳质量的恒星会经历超星新爆发，最后留下中子星的“尸体”和星云。 三、大于20倍太阳质量的恒星将在超星新爆炸甚至及超星新爆发中变成黑洞。