恒星如何将质量变成光？揭开宇宙能量的终极秘密！

明明是我

恒星并不是一成不变的，随着时间的演化，不断有能量以辐射的形式从恒星表面释放出来，这些能量主要有两个来源：引力势能和核能。在能量释放过程中，恒星结构将发生改变，其演化性质强烈依赖于恒星初始质量和化学组成。通过结合物理定律和实验观测结果，一定程度上可以确定恒星的演化规律。
在宇宙中每一颗恒星的深处，都发生着一个不可思议的过程：轻元素及其同位素发生核聚变，形成更重的元素。由于较重元素的静止质量略低于融合成它们的轻元素质量总和，恒星中的核聚变会通过爱因斯坦最著名的质能方程释放能量：E=mc²。这些能量为恒星提供能量，使它们闪耀。当恒星核心中某种特定燃料耗尽时，它们会演化进入生命的下一个阶段，直到燃料完全耗尽。
至少，这可能是你听过的传统说法。但事实证明，这些都虽然经过简化，却包含了许多常见的误解。
这些问题听起来简单明了，但它们依赖于一个有趣的假设：核聚变及其释放的辐射，才是决定恒星寿命、演化、亮度和能量发射率的主要因素。但这未必正确！让我们更详细地了解一下恒星的生命周期，或许这能帮助我们更好地了解恒星内部究竟发生了什么。。



天上的恒星是不是一直都在发光？其实不是的，恒星也有生老病死。婴儿恒星从一片星云中诞生，这些分子云中密度较大者能吸引周围更多的气体和尘埃，并随着引力收缩，密度逐渐变高，内部逐渐升温。这个时候，婴儿恒星开始发光了。当婴儿恒星内部的密度和温度高到一定程度，终于能点亮核心的热核反应了，恒星进入稳定的发光发热阶段，也就是主序星。主序阶段是一颗恒星的青壮年阶段，持续时间比较长久。终有一天，恒星会几乎消耗完所有的氢，这个时候恒星的主序阶段就结束了，开始衰老。取决于质量不同，恒星一般会变成红巨星或者红超巨星，在相对短暂的一段时间发出更亮的光。最终，恒星将会死去。小质量恒星会抛掉自己的外壳，核心变成一颗白矮星，然后慢慢冷却、黯淡下去，最后变成不再发光发热的暗物质。大质量恒星会经历超新星爆发，有的把自己完全炸碎了，有的中央会剩下一颗非常小的中子星，有的中央会留下一个黑洞。它们也基本不再发光了。不过，它们临死时抛掉的物质，会参与下一代恒星、行星系统的形成。地球上的每一个人，你和我，其实都是恒星物质构成的！。。

恒星的故事及其闪耀方式远在它们形成之前就开始了：那时，巨大的气体分子云会在自身引力的作用下收缩。由于内部含有大量分子——包括氢、水、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氰化物、氨等等——以及惰性氦，这些高质量、低密度、低温的分子云不可避免地会收缩。原因很简单：引力远大于气体压力，因此分子云会收缩。这种收缩会在分子云中产生压差，导致分子云分裂成数百甚至数千个团块，而这些团块最终会变成恒星。
但还没到时候！首先，气体密度上升，导致云团内的团块变得对光不透明。由于云团对光不透明，收缩的云团无法再散发热量，因此其内部温度升高：越靠近中心温度越高，因为中心的引力场最强。这导致云团内的团块最终发展成为原恒星：
中心温度为几十万开尔文，随着向边缘移动，温度逐渐降低，一直到其表面/光球层，温度仅为几千开尔文。
考虑到这颗原恒星体积巨大且弥散的特性，以及其较高的表面温度，你可能会惊讶地发现，即使在这个早期阶段，即在任何核聚变发生之前，这颗原恒星的亮度也更高（大约是现在太阳的30倍）。
核心的温度要等到数百万开尔文时才会开始聚变，但这需要很长时间。引力会进一步收缩原恒星，但有一个问题：恒星内部的大部分区域对辐射完全不透明，恒星内部的气体粒子现在运动得非常快：具有很大的动能。就像密封气球内运动的空气分子可以抵抗来自大气的外部压力一样，恒星内部运动的气体分子会产生相当大的气压。正是这种气压，而不是辐射，主要阻碍了原恒星的引力收缩。
最终——对于一颗质量相当于太阳的原恒星来说，大约需要2500万到5000万年的时间（质量较大的原恒星时间较短，质量较小的原恒星时间较长），恒星会缓慢收缩，导致它变得更小、更热，整体亮度更低。最后一点让很多人感到惊讶，但原恒星半径的变化远大于表面温度的升高。在此过程中的每一步，原恒星内部所有半径上的气压都会与引力相反。最后，原恒星核心的温度跨过一个临界阈值，核聚变正式点燃，将其从原恒星转变为成熟的年轻恒星。。



随着核聚变发生在恒星核心，还有一个额外的因素在起作用：恒星核心正在将轻元素聚变成更重的元素，每次这样的聚变反应都会释放出净能量。
那么，是什么决定了聚变的程度？是什么决定了聚变的速率？
信不信由你，决定因素是聚变点燃时恒星的亮度。最初，在原恒星向恒星的转变过程中，恒星的亮度开始下降，因为原恒星逐渐调整到平衡（或准平衡）状态，因为恒星的中心现在是其最终能量源的位置。气体压力（来自恒星内部加热的运动粒子）仍然是抵抗试图坍缩恒星的引力的主要因素，与气体压力相比，辐射压力所占比例不到向外推力的0.1%。
当它达到平衡状态，不再进一步收缩时，就形成了这种平衡状态：气体压力与重力相反，恒星的亮度决定了核心的聚变速率，从而实现了恒星内部的能量平衡。
赫罗图，它描绘的是恒星的颜色与其亮度之间的关系。从左上角到右下角的长蛇形线被称为主序列：恒星生命阶段，在这个阶段，恒星将氢聚变成氦，就像我们的太阳现在正在经历的，并且已经持续了约45.6亿年。
当恒星在其核心首次点燃核聚变时，它从主序列的底部开始：此时恒星的颜色决定了它的温度，而其亮度是该特定质量/颜色恒星中氢聚变成氦的最低值。如果恒星核心没有发生核聚变，恒星将会：膨胀，温度略有下降，但亮度更高，而且这个过程会相对较快：大约需要数千万年的时间。
核聚变的作用基本上就是减缓这种演化。对于一颗质量相当于太阳的恒星来说，这种演化过程需要大约100亿年，而不是数千万年。作为天文学家，我们经常会讲一个天真的故事：恒星的亮度与其质量的立方成正比：一颗质量是太阳两倍的恒星亮度是太阳的八倍，而一颗质量只有太阳一半的恒星亮度只有太阳的八分之一。
光度与质量的立方成正比的近似公式适用于质量约为太阳十倍的恒星。但对于像太阳这样的低质量恒星，光度与质量的关系更像是“质量的五次方”，而对于质量最大的恒星，光度仅与质量的四分之三次方成正比。一颗质量只有太阳一半的恒星，其能量输出可能仅为太阳的约2%；而一颗质量为太阳100倍的恒星，其能量输出约为太阳的200万倍。只有这些质量极大的恒星，也就是所有恒星中质量最大的恒星，辐射压才真正在决定恒星的演化中发挥重要作用。
尽管如此，恒星的能量来源实际上是核心内发生的核聚变，而聚变速率取决于核心内部的温度：温度越高，聚变速率就越高。对于任何在主序列上开始其生命的恒星来说，它并不会在其整个生命周期中都停留在那里——保持恒定的亮度和聚变速率。相反，氢与氦的核聚变改变了核心的组成，用“更重”的原子核取代了“轻”原子核，这增加了每个粒子的平均质量，从而提高了恒星核心的平均温度，这又增加了恒星在主序列生命周期内的聚变速率。因此，恒星的光度在其生命周期内不断增加，在赫罗图上沿着主序列“向上”移动。
太阳刚开始在主序列阶段时，其亮度仅为现在的约75%。再过45亿年，它的亮度将比现在高出约50%，达到初始亮度的两倍。再过15亿年，大约相当于现在亮度的两倍，此时其核心的氢燃料即将耗尽，无法继续进行长期以来为其提供能量的核聚变反应。出生时质量较大的恒星会以这种速度更快地演化；出生时质量较小的恒星会以这种速度更慢地演化。最重的恒星可能只需100万到200万年就能耗尽其核心的所有氢；而质量最小的恒星则需要超过100万亿年才能完成同样的过程！所有这些变化都与核聚变输出速率的增加相吻合。
然而，如果将太阳的初始质量与其核心氢耗尽后的质量进行比较，就会发现一个惊人的事实：在这约100亿至120亿年的时间里，两者的质量差异加起来大约相当于木星质量的1.5倍，或太阳总质量的0.15%。仅仅是通过E=mc²将质量转化为能量这一微小过程，就足以使太阳在其整个主序列生命周期中保持大致当前的功率水平。
然后，重要的事情发生了：核心的氢燃料耗尽，不再拥有核心能量来源。恒星抵御引力坍缩的唯一途径是气体压强，而气体压强仍然远远超过辐射压强（这很好，因为不再有新的辐射源），这导致了几个重要的变化。
恒星的核心开始缓慢收缩，因为气体压强需要保持恒定才能抵御引力。这种收缩导致核心内部粒子密度或温度升高。升高的温度向外传播，使得核心周围形成一个聚变“壳”：重新点燃氢聚变。这些变化传播到恒星的外层，使其开始膨胀。
因此，恒星的光度随着恒星的演化而增加。这颗恒星首先会转变成亚巨星，其核心由氢原子构成，核心周围则由惰性氦原子构成。随着温度下降，其内部聚变速率逐渐加快：先是达到先前聚变速率的约10倍，然后又达到约100倍。随后，核心收缩并升温至足以引发氦闪的程度：此时温度达到足以点燃核心氦原子的程度，从而引发新一轮核聚变。
现在，这颗恒星已经发展成为一颗成熟的红巨星。在此阶段，恒星的核心会进行氦聚变，其外层会进行氢聚变。恒星的颜色会随着水平分支的移动而演变，温度也会随之升高，同时亮度也会略有下降。质量较小的恒星拥有一个简并的氦核，并会发生聚变；而质量较大的恒星则会在核心简并之前点燃氦聚变。恒星可以多次跃迁至红巨星分支，但需要再次强调的是：它们的聚变速率取决于核心内部的气体特性，而不是相反。
诞生时质量超过8到10个太阳质量的恒星，其核心温度会持续升高并开始聚变：碳聚变成氖，氖聚变成镁和氧，氧聚变成硅，硅聚变成铁，然后死亡。很难确定不同壳层和核心对这些红超巨星的相对贡献；我们无法通过观察其外部来判断其内部处于哪个生命阶段。在这些质量巨大的恒星中，辐射压实际上是阻止恒星发生引力坍缩的重要因素。虽然我们可以计算基于温度的聚变率和能量产生率，但这些计算是基于此类恒星的内部模型，而这些模型并不能告诉我们恒星内部每一层的聚变率或能量产生率。我们根本无法确定；我们只能确定恒星在其光球层释放的总光度。
但对于类太阳恒星而言，最高的聚变速率发生在恒星生命的最后阶段，即红巨星阶段之后：渐近巨星分支阶段。此时处于惰性状态的碳氧核心收缩并升温，温度达到数亿开尔文。核心周围的壳层开始聚变氦：这些恒星的主要能量来源。聚变速率约为红巨星的10到100倍，约为类太阳恒星的1000到10000倍：这代表了所有类太阳恒星中最高的聚变速率。最重要的结论是，虽然核聚变在这些恒星内部发挥着至关重要的作用——它是恒星整个生命周期的主要能量来源——但它并不能解答你对恒星特性的所有疑问。
是什么决定了恒星的大小？不是核聚变，而是气压和重力之间的平衡。是什么决定了恒星的温度？是内部能量平衡向外层传递，而不是核聚变。是什么决定了恒星内部的聚变速率？是恒星内部每个“壳半径”的温度、密度和元素组成，而不是核聚变决定了其他属性。如果没有核聚变，恒星的演化仍然会发生；只是演化速度会更快，而且不会经历恒星属性看似恒定的长期稳定阶段。总而言之，恒星在其生命周期中会因核聚变而损失约0.3%到1%的总质量，但在其生命的巨星阶段，由于外层的抛射，其质量损失会更大：50%甚至更多。核聚变是恒星和恒星演化的一个关键方面，但从根本上讲，重力和气压之间的内部平衡才是真正决定聚变速率的因素。。