恒星的命运谁主宰?

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恒星的大小为什么是有限度的？恒星为何小个子更长寿？恒星的暮年为何那么辉煌？

形形的大千世界，其实就是大自然靠几条简单的规律制造出来的，那些千差万别的恒星们，它们的命运是由什么决定的呢？

恒星的光和热

从哪里来？

首先要弄清楚，为什么恒星能持续不断地发光放热呢？

原来恒星的光和热一般来自它们内部的氢核聚变反应。所谓氢核聚变反应就是氢和氢的原子核结合在一起，形成氦并释放出大量的能量。而我们知道，一般原子核由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电，可以削弱质子相互间的静电排斥力。但是氢原子核中只有一个质子，没有中子，两个氢原子核怎么能结合到一块？正因如此，地球上要进行氢核聚变反应，必须通过复杂过程提取到氢的有中子的两个同位素哥哥——氘和氚，它们的原子核才能结合在一起生成氦。

然而恒星中只有不含中子的氢，到哪儿找氘和氚去呢？不要着急，宇宙已为恒星准备了一个不需要氘和氚的氢核聚变过程。当恒星中心温度达到400万摄氏度以上时，因为太热，氢的电子早跑掉了，氢就成了孤家寡人，这时说它是氢元素也罢，氢原子核也罢，质子也罢，都是一回事——一个由单个质子组成原子核的氢。所以这时的恒星中心实际上就是一个个的质子在满天飞，活跃得就像游乐场里疯狂开着的碰碰车一样，互相碰撞。偶尔有两个质子相互碰撞得太厉害了，把其中一个质子的正电子给撞飞了，变成了不带电的中子，这样就可以与质子组成氢的同位素哥哥——氘的原子核，这个过程用专业术语来说，叫“正β衰变”。以前地球上有β衰变，简单说，就是中子放出一个负电子变成质子的过程。而正β衰变刚好相反，它是质子放出一个正电子变成中子的过程。这种在地球上几乎没有见过的正β衰变，其实在恒星中是时时刻刻都在进行着的。

有了氘就好办了，之后氘会很快与氢结合，生成含有两个质子一个中子的氦3原子核，但氦3不稳定，两个氦3原子核会相互结合成氦4，并释放出两个质子。于是通过这个过程，恒星内的氢就成功聚变成氦，并释放出大量的能量。这个过程称“质子-质子链反应”，简称PP反应。

由于两个质子在恒星中相互碰撞结合的几率极小，只有十亿分之一，就是说，在10亿对质子中，只有1对会碰撞并相互结合。所以这就卡住了核反应的速度，使恒星的能量能够持续稳定地释放，而不是突然的爆发式释放。像太阳这样的恒星就有约1056对氢离子，这其中只有十亿分之一的氢参与反应，那么，太阳的氢就可以够太阳持续燃烧至少100亿年。

由此看来，之所以称为恒星，星体必须有PP反应才行。

恒星的催老素

是上述的核反应让恒星放光放热，再大的恒星，含有的燃料终有燃烧殆尽的时候，因此恒星们也有“死亡”的那一天。让科学家惊讶的是，恒星们的寿命长短竟然有很大的差别：有的能“活”千亿岁，自宇宙诞生至今，它还处于幼儿时期；有的则只能“活”几百万年，所以现在宇宙中已经到处充满了一些恒星的尸骨——中子星和黑洞。这种寿命长短的对比就像有的活100岁，有的却活不到1小时！更让科学家感到奇怪的是，长寿恒星都是小个子恒星，恒星体重越小越长寿，体重越大越短命。这是为什么？不是质量越大的恒星含有的燃料越多吗？

原因在于，上述质子变氦核的过程中，温度是个主要条件，小个恒星只有最中心的部分才够热，像太阳，差不多是1/10的地方存在核反应，更小的恒星则可能只有1/100的地方才能达到足够的温度，这就让恒星放慢了燃料消耗的速度，从而延长了自己的寿命，所以恒星个子越小，参与反应的燃料所占的比例越小，恒星反而更长寿，只是它放出的光和热较少。

而大个恒星不仅够温度的氢较多，关键是内部的高温还引发了一种类似被催化剂催化了的核反应！大大加快了燃料消耗的速度。

核反应也有催化剂？很有意思！那么谁是催化剂呢？

恒星从星云襁褓中“诞生”后，构成它的物质中，超过99.9%的元素是氢，但也有极少量其它元素，例如也会含有极少量的碳。前面说过，质子与质子相撞生成氦的几率很小，因此反应速度并不快。但是当恒星的质量较大，中心的温度更高，达到1300万摄氏度以上时，碳就会与质子结合，并进行正β衰变，这个过程不断重复，会生成氧15，再变成氮15，氮15继续与质子结合，就又变回碳，并放出氦。这个过程中，碳并没有消耗，它只是起到了类似媒人的作用，让4个质子结合起来，变成了氦，因此，碳催化了质子变氦核的聚变反应。这个过程中有氮和氧等中间产物生成，因此又叫碳氮氧循环，简称CNO循环。

有了碳的催化，宇宙那十亿分之一的速度关卡也就失效了，氢核聚变的反应速度大大提高，迅速把恒星中的氢变成氦，释放出大量的光和热。即使恒星内部只有极少量的碳，一旦这个催化反应被点燃，恒星的寿命也就会快速缩短。这就是为什么大质量恒星的寿命会出乎意料地短暂，原来碳是它们的催老素！

恒星末年的辉煌

不管恒星衰老的速度快还是慢，有没有碳作为催老素，恒星的寿终正寝都需要另一个反应前来“索命”。

一般情况下，恒星里的氢变成氦之后，氦就不会继续反应了，但在高温下氦能与氦反应，生成的是铍8，铍8是极不稳定的，生成之后马上又分解成了氦，因此宇宙相当于又用氦卡住了核反应的“脖子”，让恒星不至于放出太多的能量。

但是当恒星核心的氢燃烧得所剩不多的时候，靠氢核反应释放的能量不足以对抗恒星自身的引力，恒星内部就会急速塌缩，塌缩导致温度急剧升高，达到上亿摄氏度时，铍8生成的速度太快了，超过了其分解的速度，于是恒星中心就会有少量铍8存在，铍8只要能存在，就会快速吸收一个氦，生成稳定的碳，从而释放出巨大的能量，这个过程是3个氦，也就是3个α粒子参与的反应，因此又叫3α反应。

这个反应使恒星内部温度继续升高，又会点燃更多的氦生成碳，释放更多的能量。同时恒星外层的氢也因高温启动了碳催化的CNO循环反应，这样，瞬间就有异常巨大的能量释放，这巨大的能量会导致太阳质量以下的恒星急剧膨胀，体积增大上亿倍，形成壮观的红巨星。而较大的恒星则会突然超新星爆发，抛出大量的物质。外层物质抛出后，中心的残骸最终的命运，或者变成白矮星，或者变成中子星，或者变成黑洞，变成什么与残骸质量大小有关。经历了暮年的辉煌之后，恒星就这样快速地死亡了。

恒星的体重和体积

恒星虽然死亡了，关于恒星一生的经历，我们还可以品评一下。在恒星的一生中，除了恒星的体重变化不大之外，恒星放出的光和热，恒星的体积和密度都在不断变化着。

关于恒星的体重，其实是有个限度的，恒星的质量不能无限大，也不能无限小，其中起决定作用的就是PP反应所要求的高温。像木星等气体星球的成分与太阳的成分很相似，但为什么木星不能像恒星那样燃烧？原因就是木星的个头太小，体重不够。因为体重不够的话，引力就小，难以收缩达到足够的高温，也就难以产生PP反应，所以难以成为恒星。就像煤场的煤堆得足够高时，里面才会发生自燃一样，一小堆煤放一百年也不会自燃。通过计算，科学家发现只有体重达到太阳质量的0.08以上时，上述的核反应才能点燃，这就决定了恒星的体重至少是0.08个太阳质量。

同样，恒星也不能无限大。科学家目前认为，恒星的体重不能超过太阳质量的3000倍，否则它就无法存在。

为什么呢？如果恒星太大了，假设超过了3000个太阳质量，其自身重力导致的内部急剧收缩，会使恒星内部的温度达到1亿摄氏度以上，这时3α反应就会启动，使得恒星中心短时间内释放出巨大的能量，这会导致它急剧膨胀或爆炸，恒星因此也就分解了，很可能分解为很多小恒星。由此看来，超过3000太阳质量的恒星是无法稳定存在的，这就决定了恒星的质量上限不能超过3000个太阳质量。

恒星的体重相互之间相差虽然不是很大，也就几万倍。但是恒星的体积却可以相差十亿倍之多。不同年龄段，不同质量的恒星，其内部进行的核反应的种类和剧烈程度就会不同，释放的能量也会不同。引力让恒星具有收缩的趋势，而能量的释放则让恒星有膨胀的趋势，恒星体积的大小就是这两种力量相互对抗、达到平衡后的结果。如此，一颗恒星的体积和密度也就会随着年龄大小和放热多少而不断发生变化。

从上面的情况可以看出，恒星放出的光和热，恒星寿命的长短，恒星体积和密度的大小都是上述三个反应作用的结果。宇宙就是这样用三个核反应决定了所有恒星一生的命运。