是什麼決定了恆星的命運？不同階段的恆星消耗燃料的速度是多少？

恆星是宇宙演化中最重要的一環，是它創造了光明，溫暖，是它豐富了宇宙的成分，也是它帶來衆多的岩石行星，甚至是生活在這些行星上的生命。

今天我們要說的問題是，恆星的燃燒速率是由什麼決定的？以及不同的元素在恆星核心的不同層中是如何一步步發生聚變，直到恆星的死亡。

是什麼決定了一顆恆星的命運

我們既想知道恆星內部發生了什麼，又想知道它是如何發生的，就需要了解從一顆恆星燃燒開始到它生命結束的整個過程。

首先，我們需要找到一顆新生的恆星。在宇宙中唯一能找到它們的地方就是在巨大的星團中！

在一個年輕的星團中，如上圖中的NGC265，其中有各種不同類型的恆星，從質量最大、溫度最高的o級和b級恆星，它們的質量一般是太陽的幾十倍、甚至幾百倍，一直到質量最低的m級恆星，即最紅、最暗的恆星。(當然還有很多“失敗的恆星”，即所謂的褐矮星。)

那麼是什麼賦予了這些不同種類的恆星，擁有各自獨特的顏色和亮度？

簡單的答案是“恆星不同的質量”，這個因素是唯一決定恆星一生命運的因素。因爲不管什麼類型的恆星，它們的初始組成的材料基本上是一致的，由大量的氫和少量的氦組成。

而這些恆星之所以會發光，是因爲它們的核心發生了核聚變。氣體雲在引力作用下發生集聚以後，質量最少要達到2.5萬個地球的質量，即使是質量最低的m級恆星也會收縮成原恆星，溫度急劇升高，核心的密度和溫度足以引發一場自我維持的核聚變反應。

我們知道恆星有不同的顏色，既藍又亮、既然紅又暗！

那麼是什麼讓一顆恆星表現的如此藍而亮，而不是紅而暗，兩者之間的主要區別與恆星內部的溫度有關！例如，在太陽內部，最核心的溫度大約是1500萬開爾文，核聚變在覈心處發生的最快。

但是當我們從恆星的核心越往外走，溫度就越低，但是核聚變的速率會隨着溫度的下降呈指數級的方式下降！當我們離開太陽核心25%的時候，溫度下降了不到兩倍，而這時的核聚變速率還不到核心的1% ！

所以質量決定了核心的溫度和密度，而溫度又決定了核心的核反應速率，並且影響巨大。

這就是爲什麼一個溫度只有太陽一半的恆星可以存活的時間更久，甚至是太陽年齡的數百倍，而一個質量非常大、溫度非常高的恆星，比如質量是太陽260倍的R136a1（下面星團的中心）的壽命十分短，還不到太陽年齡的0.1%。

不同元素在恆星的核心是如何燃燒的

一顆恆星的質量在其出生時就已經註定了，也就說它的命運早已註定。當它們在生命中燃燒燃料的時候，其中乏燃料的區域就會開始收縮，恆星內部的溫度升高！這意味着核心更大的區域可以融合任何正在燃燒的燃料，同時融合的速率也會上升。

除此之外，這也意味着隨着恆星年齡的增長，恆星的溫度和光度都將逐漸升高。

恆星在其生命週期內會產生一定的輻射壓力，這些高能輻射（主要時伽馬射線）需要從恆星的所有層中釋放出來，來支撐恆星抵抗引力坍縮。目前太陽的半徑是恆定的，因爲太陽表面的向外輻射的壓力大致與向內的引力相同。但是，當恆星的核心（恆星的任何一層都一樣）耗盡所燃燒的燃料時，輻射壓力就會急劇下降，並開始在引力的作用下收縮。

接下里有兩種選擇：要麼核心可以充分的收縮和升溫，以點燃更多的聚變，無論是氫、氦，還是在最大規模的恆星中的碳聚變或其他更重元素的聚變；要麼恆星核心開始保持惰性，因爲恆星質量較小的緣故，無法收縮升溫到足以燃燒下一階段的燃料，在這種情況下，恆星生命的終點就即將來臨。

上圖可以看到，恆星核心一開始從氫到氦，氦開心沉降堆積在覈心，等核心氫燃燒完以後，核心開始收縮升溫，開始氦到碳的聚變，同時核心外層繼續着氫的氦的過程，但核心燃燒氦的速度非常快，等核心再次耗盡氦，又開始碳燃燒，一層一層這樣聚變下去，直到核心堆積爲鐵核，核聚變停止。

一個恆星氦核的形成需要很長時間，即使是最大型的恆星也需要幾百萬年的時間，而氦到碳燃燒的時間大約是氫燃燒時間的10%。在那些已經開始進行碳燃燒的恆星，從核心的第一次碳聚變到核心的鐵堆芯停止核聚變，引發超新星爆發的時間尺度大約是一千年，所以當恆星耗盡核心的氫以後，離死亡已經不遠了。

事實上，類太陽恆星的內核耗盡其中心區域的氫燃料以後（我們的太陽將在50億到70億年後耗盡核心燃料）將首先膨脹成一顆亞巨星，在類太陽恆星點燃氦聚變併成爲一顆真正的紅巨星之前，亞巨星階段將能保持大約一億年的時間。但只要成爲亞巨星就說明一顆恆星已經永遠離開了主序列。

剩下的所有其他的聚變步驟都會相對較快的發生，因爲“主序列”之所以被稱爲“主序列”是有原因的：它是所有恆星一生中最主要的時間。就像一個人的青壯年時期一樣，是人一生中最主要的階段，一旦跨過這個階段，就會迅速的衰老直到死亡。

在質量較大的恆星內部，溫度決定一切，反應速度特別快，而元素之間的對流發生的很慢，無法將新的燃料快速的運送到核心發生聚變反應。也就是說，即使我們的太陽在數十億年後核心停止了聚變，但在覈心周圍還會存在大量的氦元素，因爲這些氦元素無法有效的沉降到核心，保持核心的聚變。

一顆恆星的整個核心需要幾千億年的時間才能將新的元素循環進去。

而m級恆星，反應速率較慢，核心的核聚變很溫和，這樣就能允許更多的新元素沉降到核心供其燃燒，因此這類恆星的壽命特別長，足有萬億年的壽命。

這就是一顆恆星演化的過程，比我們平時認爲的要快的多，只要其核心耗盡氫燃料。一顆恆星就走向了老年階段。