一张图，揭示恒星的一生

恒星，可以被视为宇宙的基本组成部分，就像原子是物质的基本构成一样。在人类历史的大部分时间里，徜徉在宇宙中的恒星仿佛是永恒不变的。但正如地球上所有的生命一样，恒星也会经历诞生、演化和死亡。然而，一开始我们并不知道这个事实，直到一张图的出现，才渐渐为我们揭开了恒星的演化之旅。

20世纪初，天文学家运用摄谱仪和照相技术，收集了大量恒星的数据，其中包含与恒星的温度和亮度有关的信息。丹麦天文学家埃希纳·赫茨普龙（Ejnar Hertzsprung）和美国天文学家亨利·罗素（Henry Russell）独立地将大量的恒星绘制在一个二维的图表上，创建出了今天鼎鼎大名的赫罗图（Hertzsprung-Russell diagram）。

 赫罗图，纵轴显示的是恒星的光度，横轴显示的是它们的表面温度。恒星在图中的位置显示了关于其所处阶段以及质量的信息。能够燃烧氢聚变为氦的恒星位于对角线的区域上，也就是所谓的主序星。而像剑鱼座AB这样的红矮星，则位于寒冷而昏暗的角落，它的温度约为3000℃，光度约为太阳的0.2%。当一颗恒星耗尽所有的氢时，就会离开主序带，根据其质量变成红巨星或超巨星。与太阳质量相当的恒星在燃烧完所有燃料后，最终演化成一颗白矮星。| 图片来源：ESO

这张看似简单的图，彻底地改变了我们对恒星的理解。赫罗图的纵轴绘制的是恒星的光度，即能量输出；横轴绘制的则是恒星的表面温度。图中所显示的实际上就像是一张在随机的时间点上为恒星拍摄的集体合照，这些恒星散布在宇宙的不同位置，有着不同的亮度和颜色。

在赫罗图中，可以发现包括太阳在内的大多数恒星明显聚集在一条对角线上，从图的一角延伸到另一角。天文学家将分布在对角线上的恒星称为主序星。

今天，我们在宇宙中所观测到的结构都是由引力和恒星所驱动的。引力会把物质聚集在一起，恒星释放出的光芒则照亮宇宙。当恒星处于它一生中最漫长、也最平凡的时期时，它就被称为主序星。在这段时期内，恒星非常稳定，向内的引力会与向外的压力相互抵消，所以恒星不会出现太大的变化。

 聚变会产生一个外向力，与向内的引力相互抵消。两者之间的平衡维持着恒星的主序生命。| 图片参考：Standford University

在主序星时期，恒星通过将氢聚变为氦来获取能量。这种聚变反应可通过两个过程进行，一种是所谓的质子-质子链，另一种是碳氮氧循环。在类太阳恒星中，质子-质子链主导着能量的产生，而碳氮氧循环大约只占了1%。对于那些比太阳更重、更热的恒星来说，主要的供能反应则是由CNO循环主导的。

另外，主序带为什么会呈现出一个特殊的从高光度、温度到低光度、温度的对角线模式？其奥秘就在于大质量恒星的中心有很强的引力挤压，提高了核心处的温度。核聚变速率对温度非常敏感，这意味着大质量恒星的氢燃烧得又热又快，产生巨大的能量。因此，主序带也蕴含了恒星的质量信息，大质量恒星在高光度、温度区域，而低质量恒星在低光度、温度区域。

从赫罗图中，我们还看到了许多亮度中等、温度很低的恒星，也有很多亮度极高、温度极低的恒星。通过计算，天文学家可以得出这些明亮的寒冷恒星的大小比我们的太阳要大得多。从这些信息中，天文学家发现了大小是太阳的10倍的巨星，以及大小是太阳的100倍的超巨星。赫罗图上所显示的各种各样的巨星和超巨星，是恒星演化的最重要证据。

当一颗恒星耗尽氢时，它便开始步入演化末期。恒星内的氦会最先转变为碳，然后聚变成越来越重的元素。在与太阳类似的恒星中，一旦恒星聚变了它所可能聚变的最重元素，它的外层就会被推开，只留下致密的核心，成为一颗白矮星，并被称为行星状星云的气体云所包裹。对于更大质量的恒星而言，它的结局更加戏剧性：在超新星爆发中，恒星的核心会留下一颗中子星或黑洞（由于中子星和黑洞的极端复杂的特性，因此无法绘制在赫罗图上）。

 恒星的寿命是由质量决定的：质量越大的恒星寿命越短，它们也会迎来更加富有神秘色彩的结局。| 图片来源：ESO/M. Kronmesser

相比于恒星的一生，我们的一生太过于短暂，所以永远无法真正地观察到它们的演变。但通过随机地测量大量恒星，我们可以目睹那些处于巨星阶段或超巨星阶段的较老恒星，然后通过统计学分析，就可以看到它们的理论演化轨迹是否与赫罗图中所示的一致。结果显示，答案是肯定的。所以这张图不仅能告诉我们恒星究竟是什么，也告诉我们，这些发着光的球体是如何在数十亿年的宇宙史中变迁的。

今天，尽管我们已经掌握了许多与恒星有关的信息，但仍然有许多谜题萦绕。科学家并不完全知道气体云和尘埃是如何坍缩形成恒星的细节，也不知道为什么大多数恒星会形成星群。有太多的细节，都有待通过观测和理论的结合来得到进一步的确定。

若要揭示恒星诞生和早期演化，我们需要能够窥视到隐藏在稠密的尘埃和气体云深处的画面，那里是恒星形成的起点。然而，由于尘埃的遮挡，这些区域无法在可见光波段下被观测，而必须在红外波段进行观测，这就是为何对于这一领域的天文研究来说，我们急需像韦布空间望远镜（JWST）这样的高分辨率红外太空望远镜。

 鹰状星云的“创造之柱”在可见光下的图像（左）和在红外光波段下的画面（右）。在红外光波段下，正在形成的年轻恒星所发出的光线穿透了尘埃和气体云。| 图片来源：NASA, ESA / Hubble and the Hubble Heritage Team

和恒星生命周期有关的最后一个未解之谜将天文学家带回到了遥远的过去。我们知道，每个周期都有一个开始，那么宇宙中的第一批恒星是如何形成的？JWST将使天文学家有机会观测到宇宙中的第一缕星光，它将帮助我们填写宇宙早期历史篇章中的空白，让我们更好地理解宇宙是如何通过恒星的生命周期运行下去的，以及我们是如何走到今天这一步的。