连载 | 恒星的一生（三）：恒星的晚年

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恒星末期的演化，也是由恒星的质量决定的。不同质量的恒星最终将分道扬镳。

小质量恒星

对于质量在2倍太阳质量以内的恒星，主序阶段结束后，恒星核心的氢被用完，产生了一个氦的内核，氦内核外是密度更低的氢。由于核心的温度不够高，氦元素无法被点燃发生热核反应。于是，氦内核首先向内收缩，使核心得到加热。这首先造成氦内核外的氢壳层的热核反应被点燃。氢壳的加速燃烧比主序阶段氢内核燃烧产能更多，直接打破了恒星原本的稳定状态，使得恒星剧烈膨胀。

由于恒星扩张到较外部的部分首先被冷却，恒星的表面温度降低了，因此变得比原来更红。这时的恒星演化成为了红巨星。以太阳为例，大约50亿年后，太阳将成为一颗红巨星，那时太阳会变大到现在的100倍，地球也会被太阳吞噬。

这幅图片展示了和太阳质量相当的恒星从诞生（左侧）到晚年（右侧）的尺度演化。大约50亿年后，太阳将成为一颗红巨星，那时太阳会变大到现在的100倍，地球也会被太阳吞噬。

图片来源：By ESO/M. Kornmesser (http://www.eso.org/public/images/eso1337a/) [CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0)], via Wikimedia Commons

而在红巨星内部，氢壳燃烧产生了更多的氦，氦内核的物质越来越多，当它向内收缩到使温度将足够高时，燃烧氦元素生成碳元素的热核反应就会被点燃。氦的燃烧十分迅速，恒星核心的氦很快就会被烧尽，形成一个碳的内核。在碳内核之外，分别是同心的氦壳和氢壳，这两个壳层起初会继续发生热核反应，但很快就无法再维持下去。

小质量恒星中心的温度将永远无法点燃碳燃烧的核反应，于是，恒星核心将持续收缩，密度越来越大，最终成为一颗体积很小、温度很高（约几万度）的天体——白矮星。而原来恒星外部的壳层膨胀得很大，最后会与中心的白矮星脱离，扩展到周围的空间中。这些气体物质被中心炽热的白矮星电离，从而可以被我们观测到。由于人们最初在望远镜中看到这些弥散物质很像行星，因此称之为行星状星云。

行星状星云还会继续膨胀，最终被完全吹散，只剩下核心的白矮星。而白矮星失去了能量来源，只能日益黯淡，成为不再发光的黑矮星。

哈勃空间望远镜拍摄的天狼星A和天狼星B（箭头所指）的照片。天狼星是物理双星，人类肉眼无法将相互绕转的天狼星A和天狼星B分辨开。天狼星B是白矮星，相比天狼星A要黯淡很多。

图片来源：By Bokus [Public domain], via Wikimedia Commons

大质量恒星

质量较大的恒星在主序阶段结束后，同样会经历氢壳和氦内核燃烧的过程，并膨胀成为红超巨星。不同于小质量恒星的是，大质量恒星的碳内核也会被点燃，从而合成更重的氮、氧元素。质量更大的恒星（8倍太阳质量以上）内核中产生的新元素会一再被点燃，新的更重元素的组成的内核相继形成，内核外包裹着一层层燃烧的不同元素的同心壳层。因此这些大质量恒星还会制造出氖、钠、镁、硅等元素，直到内核变成铁为止。

此时的恒星再也无力支撑自身的引力，以极快的速度向内坍缩，结果是宇宙中谣言的奇观——超新星爆发（II型超新星）。超新星爆发释放巨大的能量，在爆发的瞬间，超新星的光度可以与整个星系的光度相比，天空中就像突然出现了一颗明亮的星星一样。在超新星爆发后，原来恒星的外层物质被抛到周围的宇宙空间中，成为弥散的气体星云，而中心则产生一个致密天体——中子星或者黑洞。

由哈勃空间望远镜宽视场和行星相机2号24次独立的曝光拼接而成的蟹状星云图像，这些图像分别摄于1999年10月，2000年1月和2000年12月。蟹状星云是超新星SN 1054爆发后的遗迹，该超新星在公元1054年爆发时被宋朝的天文学家记录。蟹状星云中心的天体为一颗脉冲星（一种以恒定频率发射电磁脉冲的中子星），也是超新星的遗迹。

图片来源：By NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University) (HubbleSite: gallery, release.) [Public domain], via Wikimedia Commons