第一节 恒星的诞生
正如前述，恒星形成于宇宙中原子气密度较大的地方。在那里，这些气体云会因为自引力而开始越来越聚集在一起，在这个聚集的过程中，气体云的密度会变得越来越大，另一方面，引力势能会转化为热能，导致气体云的温度也随之升高。根据理想气体状态方程，压强正比于气体的密度与温度，结果压强也就跟着升高，试图阻止气体云的进一步聚集。不过，这热的气体云会向外发热发光，这使得那压强还是没法抗拒自引力，因而气体云继续聚集，密度继续变大，温度继续走高。
这个慢慢聚集的过程持续了大约几百万年后，气体云中心的密度与温度高到了足以引起了氢变氦的核反应。通过这种核反应所产生的能量正好可以抵消气体云外层向外通过发热发光的方式所释放的能量。因此气体云就不必通过聚集的方式，用引力势能来提供其向外释放的能量。这时的气体云其实就是一颗恒星。自此，中心区的这烧氢变氦的核反应会持续大约几十亿年。不过值得指出的是，因为大质量的恒星烧氢变氦的速率要比小质量的恒星要快的多，结果大质量的恒星反而会在更短的时间内把氢给烧完。大家知道，我们太阳这样一颗恒星，已经烧氢烧了50亿年左右，剩下的氢还够烧另外一个50亿年。
第二节 恒星的演化
当恒星就这么烧氢变氦几十亿年之后，中心区域显然都变成了氦核，而氦核所在区域的外围氢依然在燃烧着，让处于中心的氦核区变得越来越大。不过，此时氦核区会因其自引力的缘故，而开始收缩，从而使其自身温度升高。这高温的氦核就好似一个火炉，会让其外围的氢燃烧的更旺。这最终会导致恒星外层气团向外急速膨胀而冷却，有的部分甚至逃逸速度比较大，最终摆脱恒星的引力，而使得恒星丢失了一部分质量。不管怎样，这时的恒星看上去会很大很大，且因为表面温度变低而发红，这颗恒星因此也就变成了一颗红巨星。我们的太阳50亿年后就会变成一颗红巨星。不过这颗红巨星的氦核区在继续收缩，温度也在不断身高。没过一会儿，密度与温度高到了诱使下一轮核反应，即把氦给点燃了，变成氧与碳。这样，这颗红巨星又可以据此保持一段时间的稳定。
.jpg)
第三节 小质量恒星的归宿：白矮星
可是恒星的核燃料总有耗竭的时候，于是我们自然要问，自然界中有无一种额外的力量来抵抗恒星在自引力下不断收缩呢？当恒星质量比较小的时候，人们发现其中的电子简并压，可以抗衡恒星的自引力。这是怎么一回事呢？大家也许都听说过著名的泡利不相容原理。即两个电子不可能占据同一个状态。在恒星的中心区域，温度很高，原子气早就被电离成原子核以及核外电子。自引力试图让这些核外电子聚集在一起，但泡利不相容原理使得这些电子天然的产生上述电子简并压，来抗衡自引力。具体的计算表明，当恒星质量小于0.5个太阳质量的时候，处于恒星中心的氦还没有燃烧起来，这个电子简并压就可以阻止恒星在自引力作用下收缩。当恒星质量介于0.5与1.3个太阳质量的时候，这个电子简并压与自引力的平衡发生在氦被点燃之后的某一个阶段。无论如何，这种通过电子简并压来达到与其自引力永久平衡的恒星，人们叫它白矮星。矮是因为其密度很高，体积很小。白是因为其一开始的表面温度很高。但随着时间的推移，这颗白矮星会因为向四周的热辐射而渐渐变冷，最终变成一颗黑矮星。我们太阳最终的归宿就是一颗先白后黑的矮星。
第四节 中质量恒星的归宿：中子星
而对于质量大于1.3的恒星，氦燃烧后聚集在中心区的氧与碳核又开始在其自引力作用下收缩而温度身高，从而引发新一轮核聚变，生成氮核等别的重元素。在中心区的这样一级级核聚变不断重演，直到生成最稳定的铁与镍核。从中心区一层层向外，是越来越轻的元素，最外层依然是氢。一开始，处于中心区的铁与镍核的电子简并压能够抗拒其自引力而使之不收缩，但其外层的核反应，会使得处于中心区的铁与镍核质量越来越大，最终自引力战胜了电子简并压，使得铁与镍核不断收缩，升温。当温度升高到一定值时，其中的高能光子会把铁与镍核撞得粉碎，变为一个个中子与质子。不过收缩依旧在进行中，这让中心区的密度越来越大，当密度达到某一个值时，其中的电子会与质子结合在一起，产生中子与中微子。尽管中微子与别的物质的相互作用很弱，质量也很小，几乎为零。然而如此产生的大量高密度高能量的中微子，却像一股飓风一般，把恒星中心区外围的物质统统吹走，发出绚烂的光与热。如是造成的景观就是超新星爆发。
而现在的恒星中心区就基本上都是由中子组成的了，继续在自引力下收缩。因为此时这里的密度超大，引力超强，所以牛顿的万有引力就不再适用了，代之的是爱因斯坦的广义相对论。结果广义相对论要求抗衡收缩的压强要比牛顿理论给出的还要大。不过计算表明，如果此时恒星的质量小于2个太阳质量，那么中子因为泡利不相容原理，所产生的简并压可以支撑恒星永远不再收缩。这就是所谓的中子星，中等质量恒星的命运终点。
.jpg)
注意到中子是有自旋的，当中子星慢冷却，温度降低到某一个临界值时，其中的中子自旋差不多会指向同一个方向，这个方向就是中子星的磁轴方向。不过如同地球一般，这个磁轴的方向一般与中子星自转的方向并不一致。这会产生一个非常有趣的效应。具体来说，就是处于中子星表面的那些中子会衰变为带电的质子与电子以及不带电的中微子。于是带电的质子与电子就会在中子星所产生的磁场中一方面作切割磁力线的圆周运动，一方面沿着磁力线作直线运动，并持续不断释放出沿着磁力线的光辐射来（这些光的辐射能是以中子星自转能的损耗为代价的。也就是说，中子星自转速度会因此非常缓慢的变小）。因此，大部分中子星就如同一个探照灯一样。如果其发出的光正好可以扫过我们的地球，被我们探测到，那么我们所探测到的信号应该会是一个个脉冲信号，两个相邻脉冲的时间间隔应该就是远处中子星的自转周期。
.jpg)
中子星就是以这样一种脉冲星的身份被我们发现的。不过依据前述，在一颗恒星终结于中子星之前，都会出现回光返照：即超新星爆发。所以，如能在超新星爆发的遗迹中发现中子星，那将是极好的。事实上，确有此事。其中最好的例子当数咱们中国在宋朝（公元1054年）所记录的由超新星爆发所产生的壮观天象：这颗星所发出的光，白天都可以看到，一直持续了23天之久。今天，那些被中微子所吹出的气团就是所谓的蟹状星云，其依然以一定的速度向外膨胀。在这星云的中心，我们的确发现了一颗脉冲星。
最后值得指出的是，上述恒星内部各级核反应正好解释了我们宇宙中氧，碳，铁等重元素的起源。我们知道，宇宙极早期的原初核合成只给了我们氢与氦。而氧，碳，铁等重元素都是通过在上述恒星内部一级一级的核反应而产生，然后借助超新星爆发而迷漫于整个星系。在这超新星爆发的残骸废墟中，将会诞生下一代恒星。我们的太阳以及太阳系就是在这些早期恒星超新星爆发的废墟中诞生并成长起来的，否则我们没法解释我们这里丰富的重元素。
文章来源于不只是科普
如有侵权请联系管理员删除
扫一扫关注公众号，看更多物理竞赛干货
复制 wulijingsai 微信公众号搜索关注
