第一节恒星的分类与演化
宇宙中的恒星加起来比地球海滩上的沙粒数目还多得多!这真是个令人望而生畏的数字。然而，从这些沙粒中取出三颗，撒到一个教室里，相对于宇宙空间里的恒星而言，它们也依然显得太过拥挤。恒星的数目虽然极为庞大，但和它们所在的空间相比，实在是小得微不足道:从我们的地球上划一条线，一直延伸到可观测宇宙的边缘，极可能碰不到一颗恒星！它们看上去近在眼前，可事实上遥远无比……
也许你听说过超新星爆发，听说过太阳将会演化成一个白矮星，听说过比白矮星更加致密的中子星，听说过连光线也无法从其中逃逸的黑洞……
想要了解清楚超新星、白矮星、中子星和黑洞，那么就必须对恒星的演化稍作了解。简单而言，超新星(supernova)是大质量恒星演化的末期，而白矮星(whitedwarf)、中子星（neutronstar）和黑洞(blackhole)是恒星演化的归宿。在这里，我们简单介绍恒星的演化理论:
第一阶段:原恒星(protostar)的形成一一恒星是由弥漫的星际云中的分子云收缩形成的。质量很大的星云在自身引力的作用下会很快的经历收缩、密集、升温的过程。当温度足够高时，会发生塌缩形成新核，称为原恒星。
第二阶段:主序前星(pre-main-sequencestar)一一原恒星诞生后，会再自身引力作用下继续收缩，中心温度继续迅速增加，星体开始闪烁发光，同时内部压强逐渐增大。在某个时刻，当内部气体压强大到抵御自身引力时，塌缩停止，这时总质量不再增加，内部气体处于完全对流状态，但内部还没有发生热核反应，这时星体叫做主序前星。
第三阶段:主序星(main-sequencestar)——引力能的释放是内部热能增加，也使中心温度不断攀升，直至点燃核聚变。氢聚变为氦的热核反应产生了巨大的辐射能使恒星内部的压力增高到足以和引力相抗衡，恒星不再收缩，成了青壮年时期的主序星。这段时间恒星进入了一生中最辉煌、活力最充沛的时期。
第四阶段:红巨星(redgiant)——随着氢的消耗，核心区内的氢全部聚变成氦的时候，中心热核反应停止，因此抗衡引力的辐射压减小，外层物质在引力作用下向核心挤压，引力能转变为热能使核心区温度增高，当壳层温度足够高时，壳层的氢点燃，开始热核反应，推动外面包层受热膨胀，使恒星体积很快增大上千倍以上，而表面温度下降。这时，恒星离开了主序，演化到红巨星阶段。这一阶段，恒星的半径可增大到太阳半径的数百倍，光度也约增加倍。
第五阶段:末期——到了末期，不同质量的恒星有不同的归宿。
像太阳这样小质量的恒星，当恒星核中的氢耗尽以后，热能仍然继续不断地从恒星中心泄露出来。失去了辐射压，恒星核在引力作用下收缩，压力使物质挤向中心，密度急剧增加，成为一种依靠简并电子的压力与引力平衡的星体一一白矮星。而恒星壳层收到加热从而渐渐扩张，通过质量抛射，形成行星状星云。
大质量的红超巨星演化到晚年会点燃氦核聚变成碳核的反应。星体坍缩，核心碳球因受猛烈压缩而温度剧升，碳核聚变为更重的原子核，星体发生大爆炸，这就是我们观测到的超新星爆发。爆发时外壳物质被抛向四面八方，核心成为致密星。如果致密星的质量大于钱德拉塞卡极限（1.4个太阳质量，这是恒星的内核质量，不是整个恒星的质量)，致密星为简并中子以抵抗引力的中子星。如果大于奥本海默——佛柯夫极限（3.2个太阳质量，这是恒星的内核质量，不是整个恒星的质量)，中子星将成为黑洞。
不同质量恒星演化示意图。来源:北京大学吴学兵教授《基础天文》课程课件
下面我们将分别介绍这几类恒星天体的性质:
白矮星是以电子简并压抵抗引力的一类天体。它们质量通常与太阳相近，但半径很小，通常为太阳的百分之一左右，与地球的大小相近，因而白矮星密度很高。一般而言，白矮星中，1立方厘米的物质约有吨重。同时白矮星也在发出微弱的光，这是由于它自身还有一定的温度，当它逐渐冷却后，它将变为不发光的黑矮星。
著名的白矮星有天狼星的伴星一一天狼B星，同时它也是颗天体测量双星。
超新星是典型的灾变变星，是大质量恒星在死亡之前都要经历的一次颇为壮观的爆炸过程。超新星爆发的规模远远超过新星，亮度会增量一百亿倍以上，发出的光度有时比一般的星系总的光度还亮。根据超新星的光谱和光变特征，超新星可以分为I型(光谱中没有氢线)和II型(光谱中有氢线)。
其中I型超新星中的亚型la型超新星最为有名，它是由一颗白矮星和一颗主序星相互绕转形成的，当主序星的物质由于白矮星的引力不断落入白矮星时，白矮星的质量将会增加，当其质量超过钱德拉塞卡极限后，白矮星就会爆炸形成超新星。由于其最大亮度的绝对星等与光度曲线有很明确的函数关系，通常被当做宇宙中测距的标准烛光。
在一个星系中，超新星爆发是罕见的天象，但在星系世界内，每年却都能观测到上百颗。在古代，人们就曾观测到过多颗超新星，有些超新星的亮度实在是太高了，甚至白天都能看见。
中子星是简并中子以抵抗自引力的一类天体。中子星质量介于钱德拉塞卡极限与奥本海默——佛柯夫极限之间，但半径约只有15km，只与一个城市相仿。中子星有非常强的引力场、超高的密度、超高的温度与超强的磁场。由于超强的磁场，使得中子星的辐射成束状，而同时由于中子星是个倾斜的转子(自转轴与辐射轴有夹角)，便产生了灯塔效应——辐射周期性扫过观测者产生脉冲信号，因此在辐射轴扫过地球的情况下，中子星也是脉冲星。
黑洞是巨大的致密天体，它是恒星晚期演化阶段最终引力坍缩后的天体。黑洞的密度高得令人难以想像。在这样高密度的黑洞中隐匿着巨大的引力场，它的这种引力大到使任何东西，包括光，都不能逃逸出去。
天文学家把那个物质被黑洞吸入不能再返回之处，叫做黑洞的“事件视界”，此区域的半径叫史瓦西半径。实际上，在史瓦西半径上光正好不能逃逸，而超出史瓦西半径光便可逃逸出来。同时与黑洞中心距离小于史瓦西半径的所有物体都不可能再逃逸出来。
恒星演化的套路，由丹麦天文学家Hertzsprung和美国天文学家Russel作了总结，简称赫罗图（H-Rdiagram）。
赫罗图是恒星的光谱类型与光度之关系图，赫罗图的纵轴是光度与绝对星等，而横轴则是光谱类型及恒星的表面温度，从左向右递减。恒星的光谱型通常可大致分为O.B.A.F.G.K.M七种。如果把大量恒星都画在这张图上，人们便会发现，他们的分布是有一定规律的。图中对角线处，分布密集，大约90%的恒星处在这一区域，即所谓的主序带（mainsequence），处在上面的恒星称为主序星；主序带右上方分布的称作红巨星（redgiant），一般而言光度高而温度低，体积巨大颜色偏红；红巨星之上是超巨星（supergiant），它的光度更高；左下角还有一块区域，即白矮星区域（whitedwarf）。恒星随着时间是不断演化的，相对应的不同时期的恒星就会处于图中的不同区域，
赫罗图在恒星演化的研究当中十分重要。由于恒星内部能源的不断消耗，恒星要发生演变，光度和温度都要发生变化，这导致在赫罗图上的位置发生变化。天文学家根据赫罗图描绘了恒星从诞生、成长到衰亡的演化路径，并从理论上给出恒星从诞生到主序星、红巨星、变星、新星、超新星、致密星的演化机制和模型。大约90%的恒星位于赫罗图左上角至右下角的带状上，这条线称为主序带。位于主序带上的恒星称为主序星。形成恒星的分子云是位于图中极右的区域，但随着分子云开始收缩，其温度开始上升，会慢慢移向主序带。恒星临终时会离开主序带，恒星会往右上方移动，这里是红巨星及红超巨星的区域，都是表面温度低而光度高的恒星。经过红巨星但未发生超新星爆炸的恒星会越过主序带移向左下方，这里是表面温度高而光度低的区域，是白矮星的所在区域，接着会因为能量的损失，渐渐变暗成为黑矮星。赫罗图为我们提供了一般恒星的演化历程，从而帮助科学家们给出相关恒星的形成、演化模拟机制，是研究恒星演化的重要工具。
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