4 各種各樣的恒星

恒星提供了使星系變得可見的幾乎所有的光。恒星是一個巨大的球形氣體聚集體，包含了大量的在其核心發生核聚變的物質。在聚變過程中，較輕的原子合并形成較重的原子，釋放出大量能量。大部分的恒星都依賴于氫形成氦的過程。氫生成氦的聚變的發生是因為外部物質的重量為氫核接近到能夠發生核聚變的程度提供了足夠的壓力。并不是所有的恒星都以這種方式產生能量。如果一顆恒星無法積累足夠的物質開始這種反應，它就被稱為褐矮星。恒星也可以是完成其核能產生階段后的熱殘余，例如白矮星和中子星。

恒星的大小和亮度非常不同，抬頭看看夜空中就知道有多少不同亮度的恒星。其中在夜空中的一些亮度變化是由于單個恒星到達我們距離的差異造成的。天空中最亮的恒星通常按照一定的圖樣來辨識，這被稱為星座。盡管這些最亮的恒星有其俗稱，天文學家們仍按照它們所在的星座綴以對應每顆恒星的希臘字母標示它們，后綴從α開始，對應星座中最亮的恒星。

恒星和星系

各種各樣的恒星與螺旋星系（例如太陽所在的銀河系）中的各種不同區域相關。螺旋星系有著凸起的核以及由恒星構成的扁平圓盤。存在于螺旋星系球核中的大量恒星主要是老年恒星，它們被稱為II族恒星，是在星系年輕時形成的。這些恒星上缺少比氦更重的化學元素（金屬），這些元素只能在早期的大質量恒星的爆炸中產生。凸起的核中的恒星軌道由于星系的自轉被拉平。在彩色照片中，螺旋星系的核區呈現出黃色，這也是恒星成熟的標志。

年輕和年老的恒星都存在于星系盤中，這一盤狀結構的最主要特征就是旋臂。盤中包含著非常年輕的大質量恒星，其中的一些不到100萬歲并且具有很高的亮度，因此它們的亮度蓋過盤中的其他恒星。這些年輕恒星的溫度很高，以至于發出強烈的明亮藍光，在彩色照片上清晰可見。它們與其他的一些較輕恒星如太陽一起，被稱為I族恒星。與年老并且缺少金屬的II族恒星不同，它們包含有金屬，當更老的恒星爆炸時，它們增加了星際間介質的含量。

星系盤中的恒星在環繞星系中心的軌道上運行。標示出旋臂的藍色巨大恒星在旋臂的前沿生成。在這里，星際介質被壓縮到足以發生崩塌形成新恒星的程度。大質量恒星生命周期很短，在幾百萬年后它們以超新星的形式爆炸。這發生在旋臂的后緣，這些恒星甚至沒能完成環繞所在星系一周。

太陽等較暗的小質量恒星（它們由于被大質量恒星的光蓋過，并不容易被看到）在數十億年間穩定地發光并且環繞星系核數次。在這一過程中，它們不斷地進出旋臂，并不受旋臂中發生的過程的影響。隨著恒星的生成過程繞整個星系運動，懸臂看起來發生了轉動。這一旋轉與恒星的單個軌道實際上是不相關的。

在星系的暈中同樣存在著恒星。除了存在球狀星團中年老且缺少金屬的Ⅱ族恒星，還存在著游蕩于這一區域屬于主星系的單個恒星。這些恒星周期性地穿過星系盤，被稱為高速恒星，這是由于它們在相對于星系盤面呈大角度的方向上速度較快——盡管它們并不比周圍的恒星移動得更快。具有垂直高速特征的鄰近太陽的恒星只是鄰近太陽系的短期訪客，它們很快就會回到銀暈中。在那里，它們將繼續沿著軌道運行，直至來自星系核的引力再次使它們穿越星系盤進入星系暈的另一半球。

太陽

地球和其他七顆行星環繞著一顆恒星——太陽旋轉。太陽是一顆普通的恒星，但與夜空的恒星很不相同，這是因為它離我們十分近——距地球1.496億千米。太陽有著地球100倍以上的直徑，以及將近30萬倍的質量。

不同于巖狀的地球，太陽由73%的氫和25%的氦構成，剩余的2%為更重的元素。太陽是一顆I族恒星，位于星系的旋臂中。

太陽是一顆典型的恒星，它發光的時間剛超過了45億年，正處于“中年”時期，并且將再持續45億年。它有一個內核（直徑40萬千米），在其內部發生著由氫轉為氦的核聚變，并且伴隨著大量的能量以熱量、光和中微子的形式釋放出來。與宇宙中的其他恒星相比，太陽的大小和亮度都不突出。

由于是氣體組成的，太陽沒有固體表面。地球上的觀測者看到的太陽的可見表面實際上是存在使可見光波長電磁輻射發射出來的氣體層。通過在其他波長上——例如X射線、紫外線等——觀察太陽，使得我們能夠看到位于可見表面（被稱為光球層）之上和之下的太陽“表面”——這取決于觀測到的波長。光球層低溫上部和色球層下部氣體區域中的原子和離子造成了太陽光譜中顯示在太陽光線上的原子吸收暗線。這些區域構成了太陽大氣層的最底層，其上部是更為稀薄的日冕。

光球層中有著很多有趣的特征，其中的大部分是由四種基本自然作用力之一的電磁力影響著的。光球層上的低溫區域被稱為太陽黑子，它們是在磁場線穿過光球層并且降低其周圍氣體的溫度時產生的。其他由磁場造成的現象有耀斑和日珥。當磁場所含的能量突然被釋放時，在太陽黑子之上就會產生耀斑。這使得亞原子粒子以較接近光速的速度被拋出，并且自發地釋放出所有形式的電磁輻射。日珥發生在磁場將氣體送到色球層中，再沿磁場線使其垂下時，有時間隔相對較長的時間發生一次，其他時候每分鐘都會發生。

光球層本身就是動態的，巨大的對流氣泡像在煮沸的牛奶中一樣不斷升起和落下，從而“表面”也隨之持續波動。光球層的溫度大約為6000K。

除了電磁輻射之外，太陽也一陣陣地釋放出亞原子粒子，這就是所謂的太陽風。粒子沿著磁場線被加速拋入宇宙中，如果這些粒子與行星的磁場相遇，它們將被捕獲。當發生在進入地球磁場中的粒子上時就被稱為極光。太陽風也造成彗星彗尾的產生。

巨星和矮星

恒星不能夠僅僅按照光譜分類去歸類。盡管溫度是一個區別恒星的捷徑，但它并沒有給出關于恒星大小的任何信息：氫燃料恒星的大小可以從太陽半徑的約1/10到太陽半徑的100倍。隨著恒星年齡的增長，一些恒星的半徑增加到太陽半徑的1000倍；恒星的質量從太陽的0.08倍直到100倍。但恒星具有太陽10倍以上質量的情況比較少見。

兩顆具有不同大小的相同溫度恒星有著不同的亮度，這在它們的光譜中難以發現。為了區分這些差異，采用了一個五亮度等級的系統：I組恒星為超巨星；II組為亮巨星；III組為巨星；IV組為亞巨星；以及V組的“主序”恒星。主序分類包括了后光譜類型（G、K、M）矮星，它們以氫為燃料，例如太陽是被歸為G2類的一顆黃矮星。分類為K或M的所有主序恒星都是紅矮星。白矮星是恒星的遺跡，不包括在這一體系中。

“主序”這一名稱來自于天文學家用以記錄已知恒星特征而設計出的單張圖表的時候。這幅圖表名為赫羅圖，它將恒星按照亮度和溫度的關系顯示于其上。

太陽位于赫羅圖上太陽亮度與太陽光球層溫度——5800K的交會點上。如果將其他恒星也畫在這張圖上，可以明顯看到大部分恒星位于一條從右下角低亮度的紅矮星向上通過太陽的位置，再到達左上角高亮度的藍色恒星位置的S形帶上。這就是主序，在這里恒星度過其生命周期中的大部分時間。主序對應穩定的氫燃料“中年”時期。

隨著恒星年齡增加，它逐漸從主序離開，這是因為它的亮度是由它核心部分氫到氦的核聚變釋放的能量所產生的，當氫的燃燒停止而氦開始燃燒時，恒星所釋放能量的量發生變化，這一內部的變化導致了恒星外部也隨之變化，恒星因此改變了它的亮度和溫度——亮度增加而溫度下降，因此它將移動到赫羅圖的右上部分，這一部分主要為紅巨星。處于生命最后時期的老年恒星占據了這一區域。

在所有的核反應停止后，大多數恒星結束于圖的左下角部分，在這里包含了白矮星和恒星遺跡。

雙星和多元恒星

大多數恒星都不是獨立存在的，它們有伴星并互相環繞運行。我們偶爾能夠通過一架望遠鏡看到兩顆伴星，在這一情況下恒星被稱為目視雙星。然而不是所有看起來很接近的恒星都是真正的雙星，一些恒星互不相關并且相距很遠，但由于它們位于從地球出發的同一方向上，使得它們看起來在空中相距很近。真正的雙星是由引力作用束縛在一起的兩顆恒星，它們可能開始時是兩顆原恒星，也可以是由一顆原恒星分裂開形成的。

雙星中兩顆恒星互相環繞的時間是高度變化的，它取決于許多因素，例如兩顆恒星的質量、它們質量的比例、它們之間的距離以及它們所處的演化階段。一些恒星環繞另一顆恒星僅需幾天而另一些甚至需要幾個世紀。

很多的雙星不能作為目視雙星被看到，這可能是由于該恒星系統距離過于遙遠而無法區分兩顆恒星，也可能是它相對較近但兩顆成員恒星間的距離又太近。有時其中一顆恒星十分昏暗，從而另一顆恒星蓋過了它的光芒。

雙星系統中的恒星相互環繞它們共同的質心旋轉——每個恒星都不是靜止的。如果這一振蕩運動能夠結合恒星的背景被探測出來，就表明更小更灰暗的伴星正繞著更大更明亮的伴星旋轉。這樣的恒星對被稱為天文雙星。

發現雙星的另一種方法是研究它們的光譜，光譜吸收線可能暗示了具有不同光譜分類的兩顆恒星的存在。即使它們是同樣的類型，它們的運動也會導致譜線的波長變化。這是因為移動中的物體發出的輻射波長將被拉伸或壓縮，這取決于物體是否正在靠近或是遠離，這一現象被稱為多普勒效應。恒星朝著不同方向運動，導致了譜線不同程度地改變了它們的波長。于是，在單次的沿軌道環繞過程中，就產生了譜線兩次分離后合并的現象。

如果伴星過于昏暗，它的光譜將被較亮的恒星所覆蓋。但這樣的光譜中同樣存在多普勒頻移，從而伴星的存在能由此顯示出來，這樣的系統被稱為光譜雙星。

雙星系統為天文學家測量恒星重量提供了機會。為了達到這一目的，恒星間的距離以及它們互相環繞一周所需的時間必須被測量出來。通過簡單的數學計算，能夠得到兩顆恒星的總質量，于是就能作出對其中哪顆恒星具有大部分質量的估計。如果兩顆恒星完全相同，那么就能夠簡單地將得出的數字分半。

三星系統與四星乃至更多恒星組成的系統也是已知的。多星系統中的恒星越多，這樣的系統也就越少。已知恒星中超過一半的恒星是存在于雙星系統或者是六星系統中的。

變星

如果雙星系統的軌道平面側向地球，兩顆恒星將會周期性地發生交食，其中一顆恒星擋住伴星發出的光線。這使得系統的亮度發生變化，變化取決于兩顆被涉及恒星的相對亮度：它們之間發生全食還是偏食；它們是否處于質量轉移過程中并產生高溫的亮點。亮度變化的圖形被稱為光變曲線，它在不同條件下有著不同的形狀。

一些個體的恒星本身亮度也發生變化，這表明發生在這一變星的內部進程。變星總共有兩大類——脈動變星和爆發變星。脈動變星固定周期性地改變亮度，伴隨著恒星“表面”的脈動——實際上是恒星的擴張和收縮。造父變星是以固定方式脈動的黃巨星，它們十分明亮且易于辨認，通常被用于確認鄰近星系的距離。造父變星有兩種類型，II型造父變星——處女座W型恒星——比I型更暗。紅巨星也傾向于發生變化，就被稱為米拉型變星。米拉型變星在80到1000天的周期內能夠變化1萬指數。其他的紅巨星在數年長的時間尺度上溫和且穩定地變化。

爆發變星包括了被稱為焰星的昏暗紅矮星，它們是低溫且昏暗的，并且首先由于不可預測的亮度增加與其他的變星不同。事實上，在爆發變星上所發生的可能與太陽耀斑一樣，但由于它比太陽昏暗很多，耀斑就看起來變得很猛烈了。

新星是亮度突然增加到原先亮度幾千倍的恒星，它們被認為是物質正從較大恒星轉移到白矮星伴星的雙星系統。轉移的物質引發了快速的核聚變過程，從而恒星急劇變亮。隨著物質的再次累積，再一次出現新星成為可能。如果聚集到足夠的物質，白矮星將被核爆炸摧毀，釋放出更多的能量。于是系統在I型超新星爆炸中被徹底摧毀——這一爆炸威力極大，使得它在爆炸的幾天中達到了星系亮度。II型超新星沒有這么亮，它發生于大質量恒星到達生命終結并自身分裂時。

大多數多變的恒星活動是由恒星年齡增加這一事實造成的。但在成為主序恒星之前，年輕恒星經歷了一個不可預測的劇烈變化時期，這是由于其核心內剛剛發生的核聚變需要一定時間穩定下來。當這發生在與太陽具有相近質量的恒星中時，就被稱為經典金牛座T型星階段。