宇宙中各种气体尘埃(弥散星云)由于不断运动,如果这个运动恰好使它们聚集在一起的话。那么它的质量便会越来越大从而导致时空弯曲。当时空不再平直那么四周的气体尘埃便会统统流向这片星云的质心。当这片气体云密度到达一定值的时候,情况就不同了,一方面,气体的密度有了剧烈的增加,另一方面,由于失去的引力位能部分的转化成热能,气体温度也有了很大的增加,气体的压力正比于它的密度与温度的乘积,因而在塌缩过程中,压力增长更快,这样,在气体内部很快形成一个足以与自引力相抗衡的压力场,这压力场最后制止引力塌缩,从而建立起一个新的力学平衡位形称之为星坯。此时,如果它的质量小于0.08个太阳质量,那么它的核心温度就不够点燃氢核,那么它将形成褐矮星。
当收缩气云的一部分又达到新条件下的临界,小扰动可以造成新的局部塌缩。如此下去在一定的条件下,大块气云收缩为一个凝聚体成为原恒星,原恒星吸附周围气云后继续收缩,表面温度不变,中心温度不断升高,引起温度、密度和气体成分的各种核反应。产生热能使气温升的极高。当这个原恒星的质量大于0.1个太阳质量的时候。此时,中心的氢核终于被占燃了。此时它便进入了恒星演化中的主星序成为了主序星,主序星它中心的氢核在稳定的进行着氢+氢=氦的链式反应。这个聚变反应有点类似人类肺部的呼吸机制:大——小——大。【氢核聚变释放能量——1.氢核心扩大——2.扩大后氢原子碰撞机率变小,聚变反应减少——3.温度下降释放能量减少——4.温度下降后不足以抵抗引力作用——5.引力作用下核心收缩——6.收缩后碰撞机率变大,聚变反应加强——7.温度增加释放能量增加——1.氢核心扩大】 它是一个循环机制,所以中心的氢核才不会一下子烧没掉。
经过几十亿年的演变后,恒星核心部分的氢越来越少 ,中心核链式反应产生的能量已经不足以维持其状态,于是平衡被打破,引力占了上风,有着氦核和氢外壳的恒星在引力作用下收缩坍塌,使其密度、压强和温度都急剧升高,氢的燃烧向氦核周围的一个壳层里推进。这以后恒星演化的过程是:内核收缩、外壳膨胀——燃烧壳层内部的氦核向内收缩并变热,而其恒星外壳则向外膨胀并不断变冷,表面温度大大降低。这个过程仅仅持续数十万年,这颗恒星在迅速膨胀中变为红巨星,如下图
当恒星演化到后期时它的分支出现了。0.1到2.3个太阳质量之间的恒星它的氢核燃料完了之后。由于它的核心将全部变成氦。此时它核心区域的气体粒子数大幅度减少。粒子数量减少便意味着压强变小,压强变小后抵抗不了引力作用。它的核心便不断收缩从而使氦核温度升高。温度升高之后它可以点燃氦核外层的氢(注意主序星的聚变反应是在核心的,所以外面的氢核外层的氢达不到聚变条件),此时氦核外的氢由于达到了聚变反应。氦核收缩辐射能量,氢壳聚变又辐射能量,此时恒星表面就会渐渐膨胀形成亚巨星。如下图:
当氦核继续收缩温度越来越高的时候,参与聚变反应的氢壳就越多,此时恒星就膨胀得越大就变成了红巨星。太阳变成红巨星的时候足以把地球吞没掉。而当氦核收缩到一定程度,到达红巨星的顶点的时候它就会发生变化。核心区域会发生两个变化。第一个,在物理构造上核心的氦会进入到电子简并态。第二个,当温度高达1亿度的时候,核心的氦就会被点燃进行氦聚变。正常状态下的氦聚变,随着温度升高它的体积会膨胀。但处于电子简并态物质与温度无关。不管温度多高它的压力与体积都保持不变(热胀热缩与它无关了)。当它缺少这个调节机制的时候,它的氦氦反应就会越迅速。核心的氦将以一种接近爆炸的方式在燃烧,这个过程就是氦闪。所谓闪那么它持续的时间非常短,一般都是几秒种到几分钟。一部分氦瞬间成了碳并且释放出大量的能量。而这些情况都是在恒星的核心处发生,我们都不可能观测得到。所以《流浪地球》中的一个氦闪地球就没的情况不可能发生。早在氦闪发生之前地球就已经被太阳吞没了。当核心处的氦变成了碳和氧的时候,粒子数又变少它又开始收缩,产生的温度再一次升高,从而点燃外部的氦层与氢层。所以恒星会近一步膨胀形成红超巨星。
0.1~2.3个太阳质量之间的恒星,它的温度不足以点燃核心的碳氧。但红超巨星很不稳定,由于它体积过大,所以它外层的物质已经不受核心控制了。就相当于是向外抛射物质,此时恒星的寿命也就临近终结了。它的外层形成了一些抛射残骸叫行星状星云,而恒星中心的碳氧内核就变成了一颗独立的白矮星。这就是0.1~2.3个太阳质量之间的恒星的一生。
2.3~8个太阳质量的恒星,由于质量大,它的氢燃烧完之后很快就能达到氦聚变所需要的温度,氦核不需要收缩也可以直接聚变。它的聚变过程和太阳基本是一致的,唯一不同的是氦心不需要收缩所以它不会发生氦闪。而它最终的结局也是形成白矮星。
8~30个太阳质量的恒星,由于质量更大核心的温度也会更高,所以它的核心能支撑更重的元素参与聚变从而进行多壳层燃烧(所以中大质量恒星形后期才会膨胀那么大),直到形成铁核。当恒星内部核聚变停止时(完全变为铁核,铁核不再参与聚变),此时铁核的压力骤降,会引发引力塌缩,从而使温度升高。当温度达到50亿K的时候,在高能光子的作用下,铁核就会发生光致分解。
此时铁会分解成13个氦4
然后氦4也会立即分解成两质子和两中子
最主要的是以上两个反应不释放能量它还需要吸收大量的能量。由于迅速的吸收能量此时恒星就会快速的塌缩,导致铁最中心的铁核就会受到无比巨大的压力。这个压力大到连电子简并压都支撑不住,所有的电子被压进原子核内部瞬间和质子发生反应,生成中子并释放中微子。此时支撑这个压力的就是中子的简并压。而释放的中微子由于吸收了大部分引力能,使它能把外壳的铁壳瞬间驱散从而形成了超新星爆炸。
超新星爆炸后,最终它的铁核心被中子化。而当恒星在8~30个太阳质量之间的时候,中子简并压可以支撑住铁的光致分解带来的强大压力。所以它的最终宿命就是一颗中子星。 而当恒星质量大于30个太阳质量的时候,中子简并压也支撑不住光致分解带来的强大的压力,就会进一步进行坍缩从而形成黑洞。