第303章 恒星按演化阶段（1/2）

按演化阶段：

主序星

红巨星

白矮星

中子星

黑洞

恒星的一生是一场从诞生到消亡的壮丽史诗，其演化阶段主要由初始质量决定。以下是按演化阶段分类的恒星类型及其最终归宿：

1. 主序星（稳定燃烧阶段）

代表：太阳（g型）、天狼星a（a型）、比邻星（m型红矮星）。

特征：

核心通过氢核聚变（质子质子链o循环）产生能量，维持流体静力平衡。

寿命取决于质量：大质量星（o型）仅百万年，小质量红矮星（m型）可达万亿年。

演化终点：

核心氢耗尽后，离开主序带，进入下一阶段。

主序星是恒星演化过程中最稳定的阶段，核心通过氢核聚变产生能量。根据光谱类型（表面温度、颜色）和质量，主序星可分为以下几种主要类型：

主序星是恒星一生中最稳定的阶段，核心通过氢核聚变产生能量。根据光谱类型（温度、颜色）和质量，主序星可细分为以下全部类型：

1. o型主序星

质量范围：≥16 m☉（太阳质量）

表面温度：≥30,000 k

颜色：深蓝色

特征：

最热、最亮的主序星，寿命仅100万~1000万年。

强紫外辐射，电离周围气体（如猎户座星云中的恒星）。

示例：参宿一（alnitak，猎户座ζ）。

2. b型主序星

质量范围：2~16 m☉

表面温度：10,000~30,000 k

颜色：蓝白色

特征：

亮度高，寿命约1亿~5亿年。

常见于年轻星团（如昴星团）。

示例：角宿一（spica，室女座a）。

3. a型主序星

质量范围：1.4~2 m☉

表面温度：7,500~10,000 k

颜色：白色

特征：

氢吸收线显着，肉眼可见的明亮恒星。

寿命约5亿~20亿年。

示例：织女星（vega，天琴座a）。

4. f型主序星

质量范围：1.04~1.4 m☉

表面温度：6,000~7,500 k

颜色：黄白色

特征：

光谱中金属线（如铁、钙）增强。

寿命约20亿~50亿年。

示例：南河三（procyon，小犬座a）。

5. g型主序星（太阳型恒星）

质量范围：0.8~1.04 m☉

表面温度：5,200~6,000 k

颜色：黄色

特征：

氢和金属线平衡，宜居带行星候选者。

寿命约100亿年（太阳已燃烧46亿年）。

示例：太阳、半人马座a星a。

6. k型主序星 等于（橙矮星）

注意：不写等于的后面不等于

质量范围：0.45~0.8 m☉

表面温度：3,700~5,200 k

颜色：橙色

特征：

比太阳冷但更稳定，寿命达150亿~300亿年。

适合生命存在的长寿命恒星（如比邻星的母星）。

示例：南门二b（alpha centauri b）。

7. m型主序星 等于（红矮星）

质量范围：0.08~0.45 m☉

表面温度：≤3,700 k

颜色：深红色

特征：

最小、最暗但数量最多（占主序星的70%以上）。

寿命万亿年，核聚变缓慢，常有耀斑活动。

示例：比邻星（proxima centauri）。

特殊类型

（1）褐矮星（failed stars）

质量范围：0.012~0.08 m☉

特征：

质量不足触发持续氢聚变，不属于主序星。

表面温度低，发射红外线（如wise 0855?0714）。

（2）l、t、y型超冷矮星

温度：＜2,000 k（属于褐矮星或极冷恒星）。

分类依据

1. 哈佛光谱序列：obafgkm（记忆口诀：oh be a fine girl\/guy, kiss me）。

2. 赫罗图：主序带从左上（高温高光）延伸至右下（低温低光）。

类型 质量（m☉） 温度（k） 颜色 寿命

o ≥16 ≥30,000 深蓝 1~10 myr

b 2~16 10,000~30,000 蓝白 100~500 myr

a 1.4~2 7,500~10,000 白 0.5~2 gyr

f 1.04~1.4 6,000~7,500 黄白 2~5 gyr

g 0.8~1.04 5,200~6,000 黄 10 gyr

k 0.45~0.8 3,700~5,200 橙 15~30 gyr

m 0.08~0.45 ≤3,700 红 ＞1 trillion yr

为什么主序星最重要？

恒星数量的主体：90%的可见恒星处于主序阶段。

生命的摇篮：g、k型恒星宜居带可能孕育生命（如trappist1系统）。

宇宙演化的标尺：通过主序星分布研究星系年龄和组成。

从炽热的o型星到暗弱的红矮星，主序星展现了宇宙中恒星多样性的核心篇章。

2. 红巨星（膨胀阶段）

代表：参宿四（猎户座a，未来将爆发）、毕宿五（金牛座a）。

形成条件：

中小质量恒星（0.5–8 m☉）：氢耗尽后，核心坍缩引发外壳膨胀，表面冷却变红。

大质量恒星（＞8 m☉）：直接膨胀为红超巨星（如心宿二）。

关键过程：

外壳膨胀至数百倍原大小（太阳未来将吞没水星轨道）。

核心开始氦聚变（中小质量星经历“氦闪”）。

结局：

抛射外层形成行星状星云，核心暴露为白矮星（中小质量星）。

大质量星继续聚变至铁核，最终超新星爆发。

以下是红巨星的全部类型及其详细分类，涵盖恒星演化不同阶段和特殊子类：

一、按演化阶段分类

1. 红巨星分支（red giant branch, rgb）恒星

代表星：大角星（牧夫座a）、毕宿五（金牛座a）

形成条件：

中小质量恒星（0.5~8 m☉）耗尽核心氢后，氢壳层燃烧引发外壳膨胀。

核心状态：

惰性氦核收缩，外围氢燃烧壳层推进。

特征：

表面温度：3,000~5,000 k（橙红色）

半径：太阳的10~100倍

光度：太阳的100~1,000倍

2. 水平分支（horizontal branch, hb）恒星

触发事件：rgb恒星经历氦闪（核心氦突然点燃）

核心状态：

稳定氦聚变（→碳\/氧），氢壳层仍燃烧。

特征：

体积比rgb阶段略小，表面温度更高（部分呈蓝黄色）。

典型代表：球状星团中的hb星（如m3中的恒星）。

3. 渐近巨星分支（asymptotic giant branch, agb）恒星

形成条件：

氦核耗尽后，恒星再次膨胀，启动双壳层燃烧（氢+氦壳层交替燃烧）。

极端特征：

半径：太阳的200~1,000倍（如心宿二）

强烈星风：每年流失10??~10?? m☉物质

结局：

抛射外层形成行星状星云，核心坍缩为白矮星。

二、按质量与光谱的特殊子类

1. 红超巨星（red supergiant, rsg）

质量：＞8 m☉

代表：参宿四（猎户座a）、心宿二（天蝎座a）

特征：

体积最大的恒星（半径可达太阳的1,000倍以上）。

表面温度：3,000~4,500 k，光度：10?~10? l☉。

命运：

核心聚变至铁元素后，以ii型超新星爆发。

2. 碳星（carbon star, c型）

形成：agb阶段恒星大气碳含量超过氧（c\/o＞1）。

光谱特征：

强烈的c?、ch分子吸收带。

颜色：深红色（因碳尘遮挡蓝光）。

示例：天兔座r、飞马座x。

3. s型星

化学组成：碳氧含量接近（c\/o≈1），含锆氧化物（zro）。

光谱：介于m型（富氧）和c型（富碳）之间。

代表：双子座r。

4. 贫金属红巨星（如银河系晕星）

特征：

金属丰度极低（[fe\/h] ＜ 1），保留了早期宇宙的化学特征。

研究意义：

揭示银河系形成历史（如hd ）。

三、不稳定红巨星变星

1. 米拉变星（mira variable）

类型：长周期脉动变星（周期80~1,000天）。

光度变化：振幅超过2.5等（亮度差10倍以上）。

示例：刍蒿增二（鲸鱼座o）。

2. 半规则变星（如srb型）

脉动：不规则光变，周期30~1,000天。

代表：金牛座rv（碳星变星）。

四、红巨星与红超巨星对比

特性 红巨星（rgb\/agb） 红超巨星（rsg）

质量 0.5~8 m☉ ＞8 m☉

核心元素 氦\/碳氧 铁（聚变末期）

最大半径 ~1,000 r☉（agb阶段） ~1,500 r☉（如参宿四）

寿命 数亿年 数百万年

最终命运 行星状星云+白矮星 超新星+中子星\/黑洞

五、红巨星的宇宙意义

元素工厂：通过星风抛射碳、氧、氮等生命必需元素（地球上的金元素部分源自agb星）。

距离标尺：造父变星（部分为红巨星）用于测量星系距离。

系外行星命运：红巨星膨胀会吞噬内行星（50亿年后太阳将吞没地球轨道）。

从温和的k型红巨星到暴烈的红超巨星，这些恒星暮年的巨兽塑造了宇宙的化学多样性。

3. 白矮星（致密残骸）

代表：天狼星b（伴星）、织女星未来归宿。

特征：

质量≈0.6–1.4 m☉，体积仅地球大小，密度极高（一勺物质重达数吨）。

由电子简并压力支撑，不再聚变，缓慢冷却成黑矮星（宇宙年龄尚不足以形成）。

着名现象：

ia型超新星：若白矮星吸积伴星质量超过钱德拉塞卡极限（1.4 m☉），会碳爆轰灭亡。

白矮星是恒星演化的最终产物之一，主要由电子简并压力支撑，其分类方式多样，以下是全部类型的详细总结：

一、按核心成分分类

1. 碳氧型白矮星（co white dwarf）

形成恒星质量：0.5~8 m☉（中小质量恒星）

核心成分：碳氧简并态（外层可能残留氢\/氦）

占比：约90%的白矮星属于此类型

示例：天狼星b（sirius b）

2. 氧氖镁型白矮星（onemg white dwarf）

形成恒星质量：8~10.5 m☉（中等质量恒星）

核心成分：氧、氖、镁混合物（聚变未进行到硅燃烧）

特征：质量接近钱德拉塞卡极限（1.37 m☉）

3. 氦型白矮星（he white dwarf）

形成途径：

低质量恒星（＜0.5 m☉）因漫长演化未触发氦闪

双星系统中的恒星被剥离外层（如am cvn型双星）

特征：质量极低（0.2~0.45 m☉），寿命极长

示例：psr j1012+5307的伴星

二、按光谱特征分类（da、db、dq等）

基于大气层元素的观测光谱分类（最常用系统）：

类型 大气成分 占比 特征

da 纯氢（h） ~75% 仅显示氢巴尔默线

db 纯氦（he） ~8% 氦吸收线（如he i 5876 ?）

dc 连续光谱 ~15% 无明显吸收线（大气过冷\/混合）

dq 碳污染（c?、c?） ＜1% 富碳白矮星（温度＜10,000 k）

dz 金属污染（ca、fe） ~2% 星际物质吸积或行星碎片

dp 磁白矮星 ＜0.1% 强磁场（1,000–1亿高斯）

＞ 注：部分白矮星为混合型（如dab：氢氦混合大气）。

三、特殊亚类

1. 极低质量白矮星（elm wd）

质量：＜0.3 m☉

形成机制：双星系统中质量被剥离至无法维持氦燃烧

示例：j0917+46（质量仅0.17 m☉）

2. 热亚矮星（sdo\/sdb）

过渡状态：核心氦燃烧的蓝矮星，未来将坍缩为co白矮星

特征：高温（20,000~40,000 k），质量≈0.5 m☉

3. 磁白矮星（maic wd）

磁场强度：1,000高斯至10?高斯（中子星级别）

光谱分裂：塞曼效应导致吸收线分裂（如grw +70°8247）

4. 双星系统白矮星

灾变变星（cv）：吸积伴星物质引发新星爆发

ia型超新星前身：碳氧白矮星吸积至钱德拉塞卡极限爆炸

四、演化状态分类

1. 年轻高温白矮星

温度：＞50,000 k（如hz 43）

特征：强紫外辐射，快速冷却中

2. 老年结晶白矮星

冷却年龄：＞20亿年

核心状态：碳氧晶格化（类似“宇宙钻石”）

示例：bpm （结晶化程度90%）

3. 黑矮星（理论存在）

定义：完全冷却的白矮星（温度≈宇宙背景辐射）

现状：宇宙年龄不足，尚未形成

五、白矮星的终极命运

多数白矮星：无限冷却为黑矮星（需101?~102?年）

双星系统中的白矮星：

吸积爆发（新星或ia型超新星）

合并形成中子星（如r coronae borealis事件）

六、宇宙意义

星系年龄标尺：通过最冷白矮星温度估算星系年龄

重元素来源：ia型超新星贡献宇宙中铁、硅等元素

行星系统遗迹：部分白矮星周围发现行星碎片盘（如wd 1145+017）

从炽热的da型到磁化的dp型，白矮星以简并物质的“恒星遗骸”形态，铭刻了恒星一生的故事。

4. 中子星（超新星残骸）