22.6. 星星的生、生、死¶
让我们集中在这一页上，讨论单个恒星的诞生、进化和死亡。为了预览将要详细检查的内容，恒星的历史模式遵循一条路径，最终分裂为两个分支之一（/>或\>），这取决于它离开所谓的主序列时的总质量。这是：形成一个更密集的氢气+尘埃的大云团——>原恒星——>T-金牛座相位——>主序列/>（如果质量小于5个太阳质量）->红巨星——>行星星云——>白矮星；或>（如果质量大于5个太阳质量）->新星或超新星——>中子星和/或黑洞（取决于质量） [size] ）
恒星在原星系云中（也称为巨分子云）是由气体和尘埃逐渐的亚碎裂、聚集和收缩，形成更高密度的中心而形成的。这些较密集的局部区域中的H-He原子通过碰撞和重力在最初的低温（100华氏度）下形成气团和尘埃云，形成湍流凝结过程，产生热量（大部分以热辐射形式消散）。（H和He也以低得多的密度分散，作为主要元素分布在星际空间中；该空间中的H密度估计约为每立方米3个原子；氢大部分是中性的。 [通过无线电望远镜在21厘米处探测到的] 分子量小得多的H2 ）
一个典型的气体和尘埃云（如下图所示，在一个正在发展的螺旋星云中的一个部分）由许多明亮的、带蓝色的新恒星组成，这些新恒星位于富含热氢气体的漩涡中，还有一些较老的恒星。
|哈勃大视场相机拍摄的图像是小麦哲伦云中一个年轻的大质量恒星团。|
在形成恒星中，引力驱动的坍缩会导致压缩和进一步的热上升。当温度上升到2000-3000 K时，就达到了原恒星相。在约10000℃时，H开始电离（电子被剥离），在此过程中，由于辐射而失去一些热能，而辐射往往会减慢或抵消压缩。此后，在恒星生命周期的历史上，当温度升高，氢离子化增加时，在重力坍缩阶段的收缩加热和热辐射爆发的膨胀冷却之间会有一个持续的（有些振荡的）“竞争”。一般来说，一颗正在进化的恒星倾向于寻求平衡 [静水平衡] 在向内的重力和向外的辐射压力之间。在恒星早期，收缩阶段最终占主导地位，因此恒星的内部温度最终会升高到10以上。7 K（随恒星大小而变化），在这一阶段，氢气中的基本核反应开始。这涉及热核聚变：p+p=>h2 +e + +中微子（h:sup:2 [P+N] 或者氘和E+ 是正电子 [发射的] ）这种状态的变化导致热能释放，从而导致温度持续上升。随着温度的进一步升高，一些质子、中子、氘（以及微量的氚） [H:sup:3] ）（三步过程）结合成氦（He:sup:4）核 [2p，2n] ）向其核心迁移到恒星内部。氦保持稳定，直到温度接近1亿K，在这种状态下，它与更多的质子和中子反应，转化成其他质量更高的元素（见下文）。
当H=>He过程达到稳定状态时，引力收缩不再占主导地位（达到平衡），恒星每秒的总辐射（Em）能量输出（定义为其亮度）变为常量，恒星在主序（m.s）上达到稳定状态，主要由氢燃烧阶段的恒星填充。在亮度与恒星表面温度（也可以用恒星的视觉颜色表示）的关系图中，被称为赫茨普拉格-罗素图。
摘自J.Silk，《大爆炸》，第2版，1989年。经纽约W.H.Freeman公司许可转载
正如这张图所显示的，恒星在形成时经历了进化的变化，然后通过了它们的燃料燃烧循环。它们可以根据燃烧结束时的最终产物进一步分类；恒星演化的类型取决于H气体到达燃烧早期时的初始质量。恒星也可以根据其相对年龄分类为 人口I 和 人口二 类型。I型恒星通常较年轻，甚至在今天仍在形成。在旋涡星系中，它们最常见于旋臂中。II型恒星年龄较大，燃烧了大量的燃料，通常以螺旋形的形式存在于星系核心附近，或者是椭圆星系中的主要恒星。II型缺乏较重的元素（如后文所示，这些元素主要是在早期恒星的后期和爆炸性破坏中产生的），这意味着它们是在较年轻的宇宙中由尚未积累这些元素的原材料发展而来的。恒星的总生命中有90%都是在主序列上度过的。
恒星沿着主序列的精确位置取决于聚集在气体球中的氢燃料的总质量。有些恒星的质量低至太阳的1/20（1个太阳质量是参照标准，太阳的亮度也设为1），而其他恒星的质量可能超过50个太阳质量。主序列中的高质量恒星更亮、更蓝，而M.S.低端的恒星则趋向于从黄色到橙色。恒星的初始质量是其预期寿命的主要决定因素，这也取决于它的进化历史和最终命运。太阳质量超过10个的恒星可能在2000-3000万年内完成m.s.的燃烧（太阳大小和更小的恒星需要数十亿年的时间）。一般来说，小恒星可能需要数千亿年才能完全烧尽，太阳大小范围内的恒星的寿命约为50亿至150亿年，而大得多的恒星则在10亿年或更少的时间内完成其周期。
摘自J.Silk，《大爆炸》，第2版，1989年。经纽约W.H.Freeman公司许可转载
太阳，现在大约是公元前5年，它的预期寿命是公元前5年左右，直到它首先转变成一个 红巨星 （热收缩芯，但大膨胀的较冷外壳 [高达正常星体直径的100倍] 以可见红色发出表面辐射的扩散气体）。红巨星的形成是由于内部（核心）的氢最终被耗尽，从中获得的氦试图融合（燃烧）成碳。即使在恒星外围区域继续融合，核心也会收缩。能量会迅速损失，从而扰乱流体静力学平衡，允许由恒星风驱动的膨胀。恒星表面的能量密度较低，使出现的光波长从蓝色变为红色。一个红巨星可以存在50亿年。下面是一个典型的红巨星，如HST所见，出现在槟榔星座。
|哈勃图像中的一个典型的红巨星在参宿四。|
当质量的大部分从一个初始质量小于10个太阳质量的巨行星的外壳上脱落时，它将失去几乎所有剩余的核燃料，相当突然地（经过几千年）缩小到比太阳小得多的半径（有些像地球那么小），最后变成一个致密的、热的核心（约1.4个太阳质量），成为一个很热，但亮度很低 白矮星。 （表面温度高达170000 K）。白矮星，顾名思义，很小：一颗太阳直径的恒星，缩小到与地球相当的大小，但密度约为1000000克/立方厘米。它的核心质量被认为是由退化物质组成的，也就是说，由于量子效应，它的压力不再取决于温度，——在这种情况下，密排电子是退化的，但不是质子或中子。然而白矮星仍然是炽热而明亮的。矮人的最终命运是冷却和消逝。
一个或多个环或壳通常代表白矮星周围最后一个喷射阶段物质的脱落。这个阶段比较快，需要10000-20000年的时间才能散开。这些环也被称为 行星状星云 （用词不当的是，行星不是最终产物；这个名字指的是这些物体的环面或盘状外观，类似于行星形成的早期阶段）。膨胀的规模使这些气体包层的EDTE直径大约是我们太阳系的1000倍。
典型的例子是M57，环形星云，如下图所示，由HST所见（红色代表激发氢；绿色与电离氧有关）。
另外两幅HST图像具有指导意义：下面是NGC7027（NGC是指新的总目录，通过望远镜观察到的恒星和星系的系统列表），其中气体爆炸处于早期阶段。
在下一张图片中，猫眼星云（NGC6543）似乎是红巨星周围气体向外推进的后期阶段（可能是双星对中的一个，第二颗星可能是矮星），在这一阶段，几个环通过被排出的粒子激发而发光。
哈勃太空望远镜现在已经收集了数百张显示“垂死”恒星的图像，即那些处于燃料燃烧最后阶段的恒星，它们正在爆炸性地剥离物质。事实证明，恒星最终活动的多样性和复杂性比传统望远镜观测时代所知的要复杂得多。美国宇航局最近发布的一份新闻稿记录了华盛顿大学和其他地方的天文学家所做的工作，说明了观察到的不同的结束阶段，显示在一个由六幅图像组成的小组中，这六幅图像代表了气体包层的多样性（这些是典型的行星状星云）：
这些简短的描述定义了每一次观测：左上角：一个具有明亮内壳和较暗外包层的圆形行星状星云；这种均匀的膨胀是太阳消亡的最后阶段所预测的模式；上中心：一颗被绿色（指定颜色）椭圆包围的热残余星，其中较老的气体被推到前面形成一个双星。右上角：一个球形的外层包膜和一个细长的内部“气球”外壳，都被来自内部恒星的快速风吹得膨胀；左下角：一个“蝴蝶”或两极（双裂片）星云；底部中心：一颗明亮的中心恒星，位于一个由足球形状的日冕状星云所包围的黑暗腔的中心。m是稠密的蓝色和红色气体；恒星的前外层是绿色的；注意绿色的长喷射；右下角：一个行星状星云，有一个小齿轮或螺旋状结构，有从中心恒星喷射出来的气团。
这些行星状星云的出现可能会引起误解。星云相对于地球视点的方向，可能呈现出扭曲的形状。例如，环实际上可能是圆柱体视图上的边（向下看轴）。大多数行星状星云都是非球形气体喷射，通常呈轴对称形态。我们之所以看到这种气体，是因为当红巨星的相位接近尾端时，幸存的白矮星发出的紫外线辐射会激发它（并使它发光）。气体包层形状（喷流、互锁环、“矩形”等）是强恒星风在这个阶段、更早、较慢的粒子风（参与红巨星的生长）的结果。假设的形状（如蝴蝶型）表明某种程度上的不对称风释放。另一个因素是这些星云受伴生双星（或一颗恒星和一颗大行星）影响或与之相关的可能性。
恒星太大，以至于不能以白矮星的形式出现而不发光。 中子星 （由于内部压力太大，中子是由质子和电子的强烈挤压而形成的）相反，最终形成的小磁芯（约4-5个太阳质量）只有几公里宽，其密度可以超过10。14 GM/CC（或10） 7 比白矮星密度大）。一些中子星，叫做 脉冲星 ，已知具有强磁场，并以规则的间隔（周期约为1/1000秒到几秒）发射定向的无线脉冲束，其周期性与它们的（通常是快速的）旋转有关；地球必须位于光束的立体角内，以便探测脉冲星的作用（脉冲产生的脉冲）。Re是从地球间歇性地检测到的来自恒定光束的辐射爆发，很像探照灯的光束，同时不断地扫掠，只有当它通过周期时短暂对准时，才会出现在观众面前。脉冲星是由中子星巨大的引力从其伴星中吸出气体而形成的，这种气体被加速到光速的三分之一或更高，当它撞击到中子星表面时会“引爆”，释放出大量的能量，包括成千上万的X射线爆发，从表面以荚状或柱状上升。每秒钟多次产生周期性。
大质量恒星，最初有8到50个太阳质量，燃烧它们的气体燃料（在等离子体状态 [原子被电离了] ）在核过程迫使气体高速离开地核之前，爆炸的早期阶段可能在几年内从地球上被视为一个被称为超新星的巨大发光事件。超新星平均每30-50年在一个星系中出现一次（新星是一颗恒星的明亮耀斑，没有被爆炸性地摧毁，更为常见）。（1997年12月，天文学家在深空观测到一个局部事件，在该点释放出的伽马射线能量比在正常状态下从整个宇宙释放出的能量还要多；这一巨大的一代被称为“超新星”）最初的耀斑可能只需要几秒钟就可以启动，但这种影响可以持续一段时间。几周到几个月。在我们的银河系和附近的其他星系中，超新星可以以肉眼可见的非常明亮的光源出现。一个主要的例子是蟹状星云的Palomar望远镜视图（左），在右侧所示的正方形内有一个HST广域摄像机的体积视图。
蟹状星云在历史上很有名。这是中国天文学家在公元1054年首次观测到的一个突然出现的明亮的光，似乎在金牛座内，仍然足够强烈，以至于几年内，甚至在白天也能看到它。现代望远镜的图像显示，当速度达到光的一半时，灯丝从爆炸中心流出。这颗超新星和其他一般的超新星一样，是一个能量极高的事件，从短波长（伽马射线）辐射到可见光并进入长波无线电区域。一颗脉冲星中子星，每秒旋转30次，在它的中心区域被探测到。
另一个例子是Eta Carinae，它结合了来自HST的红色和紫外线过滤图像，显示了一个明显的物质“云”，它实际上主要是这个超新星爆发的光，现在直径约100亿英里，这是由一颗比太阳大100倍的恒星爆炸造成的。
|大麦哲伦云中SN1987A结束时的哈勃图像对（1994和1998）。|
在1994年HST拍摄的左图中，爆炸产生了一圈直径约为1.62亿公里（1亿英里）的炽热气体。明亮的中心星看起来仍然基本上完好无损。正如1998年2月再次看到的那样，中央恒星发生了显著的变化，其广泛的结构变化标志着破坏进程。指向右上角区域的箭头表示“热点”（黄色）的增长，这是由于环中气体进一步压缩造成的。这颗超新星也是X射线、紫外线和无线电波的集中来源。
一个大质量恒星的破坏模式有点不同，它涉及到从一个被称为沃尔夫-雷耶特恒星的恒星类型发出的红光（可见光）气体的剧烈、混乱的膨胀，如下图所示，这是在围绕仍然完整的中央巨星（约40-50个太阳质量）展开的早期阶段看到的。
如上图中的恒星演化图所示，当50个或更多太阳质量的气体和其他物质在引力作用下收缩成小而紧凑的物体时，其结果是 黑洞 这就是所谓的，因为与它极其稠密的质量有关的引力能阻止所有可探测的辐射从它的表面逃逸。 事件视界 （影响范围），也被称为Schwartzchild半径。因为它是不可见的（黑色），所以它的存在只能从它对周围恒星和星际物质的引力作用中推断出来。根据广义相对论的考虑，黑洞是存在的。然而，在B.H.中，时间本身并没有一个有意义的地位。黑洞通常是如此之小，以至于它的时空表达式产生一个曲率，如此之明显，以至于所有的内部能量（辐射）似乎都被困在地平线内。一个例外可能是霍金辐射（以发明该理论的史蒂芬霍金命名），它由黑洞内引力能驱动的量子过程产生的虚拟粒子（主要是光子）组成；这种辐射只与微小的黑洞有关，并提供了一种能在极长时间内消散的方法。通过“蒸发”。
黑洞不可思议的引力将粒子从视界外拉入，直到它们的速度接近光速。物质一进入黑洞就被撕裂了。当这些粒子靠近时，巨大的能量释放会在地平线外产生连续的能量爆发，这一过程被认为是造成 类星体 （用“准恒星”来描述一个类似恒星的外观的收缩术语，即使观测到的特征不是一颗恒星）。类星体是非常明亮的物体（亮度非常高），可能是由于物质进入活动星系的原子核（可能是超大质量黑洞）而发出的辐射爆发（伽马辐射和X射线的“热点”）。大多数都离地球很远，当年轻的宇宙只有目前大小的1/4到1/6时，到达地球的光就离开了它们。因此，大多数类星体形成于宇宙历史的早期，特别是较大的类星体，自那时起就“休眠”（偶尔爆发），即在今天的时间框架内被大大减少到熄灭。但是黑洞仍然可以在整个宇宙年轻的宇宙学时间形成，可以想象的是，它会给新的类星体带来（通常在几百万年之后）。类星体之所以可见，是因为恒星和星际气体在引力作用下被吸进超大质量的黑洞，能量转换产生了光的发射。HST观察到了这样的事件，如这张椭圆星系NGC4261的图片所示，在这张图片中，环形星云似乎围绕着一个洞。
下面是NGC4261中心黑洞区域的最近增强图像，强调了发光尘埃和气体的环形特征（这可能是一个小星系的残余物，当它被吸入B.H.时被“吞没”）。这个环形圆盘只有800光年宽。
黑洞的尺寸各不相同，一般类别中最小的黑洞直径远小于一公里，但其堆积质量相当于约3个太阳质量。巨大的B.H.S可以包含来自数十亿恒星和星系物质的质量，其大小超过我们太阳系的大小。巨大的黑洞可能是螺旋星系和其他星系中心的惯常状态，它是由数百万颗恒星和其他物质组成的，它们向内会聚，就好像在向排水沟移动一样。NGC7742是一个赛弗特2型活跃星系，它的HST视图显示了一个大的发光中心区域，在这个区域内假设有一个超大质量的黑洞。它明亮的中心可能代表着一个静止的类星体状态，这是由于当恒星螺旋穿过B.H.地平线进入其内部时能量释放的结果；注意到明亮的、炽热的、主要是年轻恒星的环，以及微弱的螺旋臂进一步向外延伸。
一些黑洞被认为是星系中唯一幸存下来的残余物，它们被完全扫进了星系。其他黑洞可能是在大爆炸的最初几秒钟内形成的。在某些方面，黑洞是假设为大爆炸起点的超奇异性的近似值，但它们的有限尺寸为米到几公里，而对于银河系中心的黑洞，则要大得多，这取决于它们的质量（可以相当于数亿到数亿的累积质量）。数十亿太阳）。一类理论上的黑洞代表了集中在10个点的极端密度。-15 米。推测宇宙未来的结果（取决于最终的膨胀模式） [see page Cosmo-5] ，大约在公元前50年之后，可能是数十亿个黑洞的集合，最终聚集成一个单一的超致密黑洞，最终将成为下一个宇宙的奇点（在这个模型中，任何数量的连续宇宙，周期性地爆炸和收缩，都是可行的）。这样一个重复宇宙的概念（在Cosmo-6页中更详细地讨论过）被称为“大崩溃”，或者更通俗地说，是指在B.H.奇点完全崩溃后爆炸的重复过程中的“反弹”。
恒星，尤其是巨大的恒星，是产生H、He和一些Li以外元素的熔炉。（ 恒星核合成 ）通过核聚变的连续步骤，越来越多的质子和中子结合成稳定到不稳定的核。下图描绘了一个典型的，但有点广义的核合成序列，它是由氢的20个太阳质量（m:sub:o`）组成的恒星，但现在正处于其演化的最后阶段，恒星由一系列随着加热和收缩而逐渐形成的元素组成。每个元素的相对比例由每个外壳中的数字给出。太阳质量大于10个的恒星将进入铁心阶段；太阳大小的恒星只到达碳核阶段。
由于一颗巨大的富氢恒星收缩并承受更大的压力，氦是其核心区域内的第一个核产品。从聚变中释放出来的能量，伴随着不断的致密化，产生更高的温度（1-2×108 k）将最里面的氦转化成碳（通过三个氦核的融合），同时在下一个外壳产生新的氦，但氢仍然占主导地位。一旦碳大量形成，这种氦就作为CNO循环的最终产物产生。在这个里面，一些C12 与质子反应，在连续的步骤中生成氮13、14和15，然后生成氧15。在这最后一步之后，不稳定的氧同位素可以通过裂变衰变，从而释放出一个α粒子（He:sup:4，剥夺了它的电子），导致还原到C。12 .
更大的收缩，伴随温度达到>5 x 108 K表示钠和镁等元素，1 x 109 k表示氧气，接近3 x 109 对于镍、钴和铁，K可以逐渐生成图中所列元素，直到铁（加上其他原子序数较小的元素）的数量与所示的比较太阳质量成比例。因此，一颗质量足以最终形成一个铁心的恒星在其外壳中也含有原子序数较低的元素，这些元素广泛分布在图中所示的相对位置上，反映出对燃料的反应，即向外降低密度和温度。铁（原子序数Z [质子数] =26；质量数A [质子数+中子数] =56）是恒星融合直接产生的最重元素。在聚变过程中，新核素的核结合能逐渐增加到铁，但聚变核素的质量小于聚变组分之和。缺失的质量转化为高能粒子（e=mc2 ，作为伽马射线、中微子、正电子和其他物质释放；因此聚变过程始终是一个能量释放过程。
大于铁的元素具有降低的结合能，形成时需要非聚变过程（主要是中子俘获）的能量输入。因为那些能够合成铁元素的恒星的质量大于10个太阳质量，这些恒星在其聚变的最后阶段将迅速（跨越数百年）坍塌和爆炸（飞散），就像 新星 或 超新星 . 这就产生了强烈的中子通量，这些中子通量产生各种元素，包括那些大于56的元素，其中大部分元素迅速分散到星际空间中。这些较重的元素，以及H、He和A<56元素（包括O、S、C、N、Fe、Mg、Ca、Al、Na和K——构成行星的主要成分），随后可以聚集成新的星云（云），这些星云可以重组成额外的恒星，建立进一步的核合成。这些元素主要是在恒星形成、燃烧和爆炸破坏率高于现在的最初几十亿年中产生的，但元素的生产过程仍在继续。没有重新结合在恒星中的元素材料可以被组织成组成尘埃、气体和粒子的化合物，这些尘埃、气体和粒子是行星体的组成部分。