在宇宙發(fā)展到一定時期,宇宙中充滿均勻的中性原子氣體云,大體積氣體云由于自身引力而不穩(wěn)定造成塌縮.這樣恒星便進(jìn)入形成階段.在塌縮開始階段,氣體云內(nèi)部壓力很微小,物質(zhì)在自引力作用下加速向中心墜落.當(dāng)物質(zhì)的線度收縮了幾個數(shù)量級后,情況就不同了,一方面,氣體的密度有了劇烈的增加,另一方面,由于失去的引力位能部分的轉(zhuǎn)化成熱能,氣體溫度也有了很大的增加,氣體的壓力正比于它的密度與溫度的乘積,因而在塌縮過程中,壓力增長更快,這樣,在氣體內(nèi)部很快形成一個足以與自引力相抗衡的壓力場,這壓力場最后制止引力塌縮,從而建立起一個新的力學(xué)平衡位形,稱之為星壞.星坯的力學(xué)平衡是靠內(nèi)部壓力梯度與自引力相抗衡造成的,而壓力梯度的存在卻依賴于內(nèi)部溫度的不均勻性（即星坯中心的溫度要高于外圍的溫度）,因此在熱學(xué)上,這是一個不平衡的系統(tǒng),熱量將從中心逐漸地向外流出.這一熱學(xué)上趨向平衡的自然傾向?qū)αW(xué)起著削弱的作用.于是星坯必須緩慢的收縮,以其引力位能的降低來升高溫度,從而來恢復(fù)力學(xué)平衡；同時也是以引力位能的降低,來提供星坯輻射所需的能量.這就是星坯演化的主要物理機(jī)制.下面我們利用經(jīng)典引力理論大致的討論這一過程.考慮密度為 ρ、溫度為T、半徑為r的球狀氣云系統(tǒng),氣體熱運(yùn)動能量： ET= RT= T (1) 將氣體看成單原子理想氣體,μ為摩爾質(zhì)量,R為氣體普適常數(shù) 為了得到氣云球的的引力能Eg,想象經(jīng)球的質(zhì)量一點點移到無窮遠(yuǎn),將球全部移走場力作的功就等于-Eg.當(dāng)球質(zhì)量為m,半徑為r時,從表面移走dm過程中場力做功： dW=- =-G( )1/3m2/3dm （2) 所以： -Eg=- ( )1/3m2/3dm= G( M5/3 于是： Eg=- (2), 氣體云的總能量: E=ET+EG (3) 熱運(yùn)動使氣體分布均勻,引力使氣體集中.現(xiàn)在兩者共同作用.當(dāng)E>0時熱運(yùn)動為主,氣云是穩(wěn)定的,小的擾動不會影響氣云平衡；當(dāng)E1.5×107K時,恒星中燃燒H的過程就可過渡到以CNO循環(huán)為主了. 當(dāng)恒星內(nèi)混雜有重元素C和N時,他們能作為觸媒使1H變?yōu)?He,這就是CNO循環(huán),CNO循環(huán)有兩個分支： 或 總反應(yīng)率取決于最慢的14N(p,γ)15O、15N的(p,α)和(p,γ)反應(yīng)分支比約為2500：1.這個比值幾乎與溫度無關(guān),所以在2500次CNO循環(huán)中有一次是CNO-2. 在p-p鏈和CNO循環(huán)過程中,凈效果是H燃燒生成He： 在釋放出的26.7MeV能量中,大部分消耗給恒星加熱和發(fā)光,成為恒星的主要來源. 前面我們提到恒星的演化是從主星序開始的,那么什么是主星序呢?等H穩(wěn)定地燃燒為He時,恒星就成了主序星.人們發(fā)現(xiàn)有百分之八十至九十的恒星都是主序星,他們共同特征是核心區(qū)都有氫正在燃燒,他們的光度、半徑和表面溫度都有所不同,后來證明：主序星的定量上差別主要是質(zhì)量不同,其次是他們的年齡和化學(xué)成份,太陽這段歷程約千萬年.觀察到的主序星的最小質(zhì)量大約為0.1M⊙ .模型計算表明,當(dāng)質(zhì)量小于0.08M⊙時,星體的收縮將達(dá)不到氫的點火溫度,從而形不成主序星,這說明對于主序星它有一個質(zhì)量下限.觀察到的主序星的最大質(zhì)量大約是幾十個太陽質(zhì)量.理論上講,質(zhì)量太大的恒星輻射很強(qiáng),內(nèi)部的能量過程很劇烈,因此結(jié)構(gòu)也越不穩(wěn)定.但是理論上沒有一個質(zhì)量的絕對上限. 當(dāng)對某一星團(tuán)作統(tǒng)計分析時,人們卻發(fā)現(xiàn)主序星有一個上限,這說明什么?我們知道,主序星的光度是質(zhì)量的函數(shù),這函數(shù)可分段的用冪式表示L∝Mν 其中υ不是一個常數(shù),它的值大概在3.5到4.5之間.M大反映主序星中可供燃燒的質(zhì)量多,而L大反映燃燒的快,因此主序星的壽命可近似用M與L的商標(biāo)來標(biāo)志： T∝M-(ν-1)即主序星壽命隨質(zhì)量增大而按冪律減小,如果整個星團(tuán)已存在的年齡為T,那就可以由T與M的關(guān)系式求出一個截止質(zhì)量MT.質(zhì)量大于MT的主序星已結(jié)束核心的H燃燒階段而不是主序星了,這就是觀察到由大量同年齡星組成的星團(tuán)有上限的原因.現(xiàn)在我們就討論觀測到的恒星中大部分是主序星的原因,表1根據(jù)一25M⊙的恒燃燒階段 點火溫度(K) 中心溫度(g.cm-3) 持續(xù)時間(yr) H 4×107 4 7×106 He 2×108 6×102 5×105 C 7×108 6×105 5×102 Ne 1.5×109 4×106 1 O 2×109 1×107 5×10-2 Si 3.5×109 1×108 3×10-3 燃燒階段的總壽命 7.5×106 星演化模型,列出了各種元素的點火溫度及燃燒所持續(xù)的時間.從表上看出,原子序數(shù)大的和有更高的點火溫度,Z大的核不僅難于點火,點火后燃燒也更劇烈,因此燃燒持續(xù)的的時間也就更短.這顆25M⊙的表1 25M⊙恒星演化模型,模型星的燃燒階段的總壽命為7.5×106年,而其中百分之九十以上的時間是氫燃燒階段,即主星序階段.從統(tǒng)計角度講,這表明找到一顆處于主星序階段的恒星幾率要大.這正是觀察到的恒星大多數(shù)為主序星的基本原因. 2．3主序后的演化 由于恒星形成是它的主要成份是氫,而氫的點火溫度又比其他元素都低,所以恒星演化的第一階段總是氫的燃燒階段,即主序階段.在主序階段,恒星內(nèi)部維持著穩(wěn)衡的壓力分布和表面溫度分布,所以在整個漫長的階段,它的光度和表面溫度都只有很小的變化 .下面我們討論,當(dāng)星核區(qū)的氫燃燒完畢后,恒星有將怎么進(jìn)一步演化? 恒星在燃燒盡星核區(qū)的氫之后,就熄火,這時核心區(qū)主要是氫,他是燃燒的產(chǎn)物外圍區(qū)的物質(zhì)主要是未經(jīng)燃燒的氫,核心熄火后恒星失去了輻射的能源,它便要引力收縮是一個起關(guān)鍵作用的因素.一個核燃燒階段的結(jié)束,表明恒星內(nèi)各處溫度都已低于在該處引起點火所需要的溫度,引力收縮將使恒星內(nèi)各處的溫度升高,這實際上是尋找下一次核點火所需要的溫度,引力收縮將使恒星內(nèi)各處的溫度全面的升高,主序后的引力收縮首先點著的不是核心區(qū)的氦（它的點火溫度高的太多）,而是核心與外圍之間的氫殼,氫殼點火后,核心區(qū)處于高溫狀態(tài),而仍沒核能源,他將繼續(xù)收縮.這時,由于核心區(qū)釋放的引力位能和燃燒中的氫所釋放的核能,都需要通過外圍不燃燒的氫層必須劇烈地膨脹,即讓介質(zhì)輻射變得更透明.而氫層膨脹又使恒星的表面溫度降低了,所以這是一個光度增加、半徑增加、而表面變冷的過程,這個過程是恒星從主星序向紅巨星過渡,過程進(jìn)行到一定程度,氫區(qū)中心的溫度將達(dá)到氫點火的溫度,于是又過渡到一個新階段--氦燃燒階段. 在恒星中心發(fā)生氦點火前,引力收縮以使它的密度達(dá)到了103g.cm-3的量級,這時氣體的壓力對溫度的依賴很弱,那么核反應(yīng)釋放的能量將使溫度升高,而溫度升高反過來又加劇核反應(yīng)速率,于是一旦點火,很快就會燃燒的十分劇烈,以至于爆炸,這種方式的點火稱為"閃?quot;,因此在現(xiàn)象上會看到恒星光度突然上升到很大,后來又降的很低. 另一方面,當(dāng)引力收縮時它的密度達(dá)不到103g.cm-3量級,此時氣體的壓力正比與溫度,點火溫度升高導(dǎo)致壓力升高,核燃燒區(qū)就會有所膨脹,而膨脹導(dǎo)致溫度降低,因此燃燒就能穩(wěn)定的進(jìn)行,所以這兩種點火情況對演化進(jìn)程的影響是不同的. 恒星在發(fā)生"氦閃光"之后又怎么演變呢?閃光使大量能量的釋放很可能把恒星外層的氫氣都吹走,剩下的是氦的核心區(qū).氦核心區(qū)因膨脹而減小了密度,以后氦就有可能在其中正常的燃燒了.氦燃燒的產(chǎn)物是碳,在氦熄火后恒星將有一個碳核心區(qū)氦外殼,由于剩下的質(zhì)量太小引力收縮已不能達(dá)到碳的點火溫度,于是他就結(jié)束了以氦燃燒的演化,而走向熱死亡.由于引力塌縮與質(zhì)量有關(guān),所以質(zhì)量不同的恒星在演化上是有差別的. M