恆星如何形成與演化：恆星生命週期的科學

現在在夜空中可見的每一顆恆星都以相同的方式開始：作為在分子雲內漂移的冷氣體。根據美國宇航局科學部門的說法，這些雲主要由氫和塵埃組成，溫度足夠冷，使氣體能夠聚集在一起，並產生密集區域，其中湍流形成引力不穩定的團塊。

分子雲中的誕生

當分子雲內的密集團塊變得足夠龐大時，它會在自身重力作用下坍縮。歐洲航天局的教育門戶網站將星雲——在星系螺旋臂中發現的巨大氣體雲——描述為這個過程的原始材料，並指出星雲可以被外部觸發因素（如附近的超新星爆炸或雲之間的碰撞）引發坍縮。

觀測台組織拉斯庫布雷斯天文台用一個模型分子雲說明了涉及的規模，該分子雲約1.2光年寬，溫度約為10開氏度（-263攝氏度）——接近絕對零度。當這樣的雲坍縮時，它開始旋轉，扁平化為一個圓盤，中心是一個密集、逐漸升溫的核心。

從原始星到真實恆星

這個逐漸升溫的核心稱為原始星。根據拉斯庫布雷斯天文台的說法，原始星從引力收縮的熱量中發光——在融合意義上它還不是真正的恆星。歐洲航天局的教育材料補充說，周圍的原始星盤通過吸積不斷向核心輸送質量，而年輕天體的旋轉磁場驅動流出的風和噴流，逐漸清除剩餘的氣體和塵埃。

原始星不斷收縮和加熱，直到其核心溫度超過約1000萬開氏度。此時，氫核可以融合成氦，釋放能量並停止進一步的坍縮。美國宇航局科學部門和歐洲航天局都將這一時刻——持續氫融合的點燃——認定為原始星成為主序星的時刻。根據拉斯庫布雷斯天文台的說法，這個前主序收縮階段的長度在很大程度上取決於質量：高質量原始星可以在約一百萬年內坍縮成恆星，類日原始星需要約5000萬年，而低質量原始星可能需要超過1億年。

主序：漫長的、取決於質量的中年期

融合開始後，恆星進入主序，這是一個穩定階段，在其大部分生命中將氫轉化為氦。美國宇航局科學部門指出，所有恆星都以這種方式度過了大部分的存在，但該階段的持續時間幾乎完全取決於質量：儘管質量更大的恆星擁有更大的燃料儲備，但它們燃燒氫的速度遠快於較小的恆星。

這些數字來自歐洲航天局的恆星演化教育材料，說明了為什麼最龐大、最熱的恆星也是壽命最短的：約40個太陽質量的O型恆星在大約一百萬年內燃燒殆盡，而約為太陽質量一半的紅矮星在理論上可以繼續融合氫數百億年，時間比宇宙存在的時間還長。

死亡：三種不同的終局

美國宇航局科學部門和歐洲航天局一致認為，恆星的質量也決定了它如何死亡。類日恆星和低質量恆星隨著核心氫耗盡而膨脹成紅巨星，然後以發光的氣體殼——行星狀星雲——的形式脫落其外層，留下一個炙熱、極其密集的核心稱為白矮星。歐洲航天局描述白矮星的密度超過每立方厘米1000公斤，然後在極長的時間尺度上緩慢冷卻。

大約八個太陽質量或更多的恆星會經歷更為暴力的終局。歐洲航天局的材料描述了中等質量恆星（約8至20個太陽質量）依次經過碳、氧、氖、矽和鐵的融合階段，然後在II型超新星中災難性地坍縮，留下中子星。美國宇航局科學部門同樣指出，質量遠大於太陽的恆星以超新星爆炸結束，將其內部鍛造的元素散射回太空。

對於最龐大的恆星，歐洲航天局指出，如果坍縮的殘骸核心超過約三個太陽質量，甚至支持中子星的極端壓力也無法保持其穩定，它會進一步坍縮成黑洞——美國宇航局科學部門描述為具有「強烈到連光都無法逃脫」的引力的天體。

回收成新恆星

垂死恆星釋放的物質不會消失。美國宇航局科學部門指出，在超新星中噴出或由垂死的類日恆星脫落的物質返回星際介質，用融合鍛造的元素豐富它，並允許新恆星——以及潛在的新行星系統——從殘骸中形成。這個坍縮、融合和散佈的循環是天文學家統稱為恆星生命週期的過程。