恒星，可以被視為宇宙的基本組成部分，就像原子是物質的基本構成一樣。在人類曆史的大部分時間裡，徜徉在宇宙中的恒星仿佛是永恒不變的。但正如地球上所有的生命一樣，恒星也會經曆誕生、演化和死亡。然而，一開始我們并不知道這個事實，直到一張圖的出現，才漸漸為我們揭開了恒星的演化之旅。
20世紀初，天文學家運用攝譜儀和照相技術，收集了大量恒星的資料，其中包含與恒星的溫度和亮度有關的資訊。丹麥天文學家埃希納·赫茨普龍（Ejnar Hertzsprung）和美國天文學家亨利·羅素（Henry Russell）獨立地将大量的恒星繪制在一個二維的圖表上，建立出了今天鼎鼎大名的赫羅圖（Hertzsprung-Russell diagram）。
赫羅圖，縱軸顯示的是恒星的光度，橫軸顯示的是它們的表面溫度。恒星在圖中的位置顯示了關于其所處階段以及品質的資訊。能夠燃燒氫聚變為氦的恒星位于對角線的區域上，也就是所謂的主序星。而像劍魚座AB這樣的紅矮星，則位于寒冷而昏暗的角落，它的溫度約為3000℃，光度約為太陽的0.2%。當一顆恒星耗盡所有的氫時，就會離開主序帶，根據其品質變成紅巨星或超巨星。與太陽品質相當的恒星在燃燒完所有燃料後，最終演化成一顆白矮星。| 圖檔來源：ESO
這張看似簡單的圖，徹底地改變了我們對恒星的了解。赫羅圖的縱軸繪制的是恒星的光度，即能量輸出；橫軸繪制的則是恒星的表面溫度。圖中所顯示的實際上就像是一張在随機的時間點上為恒星拍攝的集體合照，這些恒星散布在宇宙的不同位置，有着不同的亮度和顔色。
在赫羅圖中，可以發現包括太陽在内的大多數恒星明顯聚集在一條對角線上，從圖的一角延伸到另一角。天文學家将分布在對角線上的恒星稱為主序星。
今天，我們在宇宙中所觀測到的結構都是由引力和恒星所驅動的。引力會把物質聚集在一起，恒星釋放出的光芒則照亮宇宙。當恒星處于它一生中最漫長、也最平凡的時期時，它就被稱為主序星。在這段時期内，恒星非常穩定，向内的引力會與向外的壓力互相抵消，是以恒星不會出現太大的變化。
聚變會産生一個外向力，與向内的引力互相抵消。兩者之間的平衡維持着恒星的主序生命。| 圖檔參考：Standford University
在主序星時期，恒星通過将氫聚變為氦來擷取能量。這種聚變反應可通過兩個過程進行，一種是所謂的質子-質子鍊，另一種是碳氮氧循環。在類太陽恒星中，質子-質子鍊主導着能量的産生，而碳氮氧循環大約隻占了1%。對于那些比太陽更重、更熱的恒星來說，主要的供能反應則是由CNO循環主導的。
另外，主序帶為什麼會呈現出一個特殊的從高光度、溫度到低光度、溫度的對角線模式？其奧秘就在于大品質恒星的中心有很強的引力擠壓，提高了核心處的溫度。核聚變速率對溫度非常敏感，這意味着大品質恒星的氫燃燒得又熱又快，産生巨大的能量。是以，主序帶也蘊含了恒星的品質資訊，大品質恒星在高光度、溫度區域，而低品質恒星在低光度、溫度區域。
從赫羅圖中，我們還看到了許多亮度中等、溫度很低的恒星，也有很多亮度極高、溫度極低的恒星。通過計算，天文學家可以得出這些明亮的寒冷恒星的大小比我們的太陽要大得多。從這些資訊中，天文學家發現了大小是太陽的10倍的巨星，以及大小是太陽的100倍的超巨星。赫羅圖上所顯示的各種各樣的巨星和超巨星，是恒星演化的最重要證據。
當一顆恒星耗盡氫時，它便開始步入演化末期。恒星内的氦會最先轉變為碳，然後聚變成越來越重的元素。在與太陽類似的恒星中，一旦恒星聚變了它所可能聚變的最重元素，它的外層就會被推開，隻留下緻密的核心，成為一顆白矮星，并被稱為行星狀星雲的氣體雲所包裹。對于更大品質的恒星而言，它的結局更加戲劇性：在超新星爆發中，恒星的核心會留下一顆中子星或黑洞（由于中子星和黑洞的極端複雜的特性，是以無法繪制在赫羅圖上）。
恒星的壽命是由品質決定的：品質越大的恒星壽命越短，它們也會迎來更加富有神秘色彩的結局。| 圖檔來源：ESO/M. Kronmesser
相比于恒星的一生，我們的一生太過于短暫，是以永遠無法真正地觀察到它們的演變。但通過随機地測量大量恒星，我們可以目睹那些處于巨星階段或超巨星階段的較老恒星，然後通過統計學分析，就可以看到它們的理論演化軌迹是否與赫羅圖中所示的一緻。結果顯示，答案是肯定的。是以這張圖不僅能告訴我們恒星究竟是什麼，也告訴我們，這些發着光的球體是如何在數十億年的宇宙史中變遷的。
今天，盡管我們已經掌握了許多與恒星有關的資訊，但仍然有許多謎題萦繞。科學家并不完全知道氣體雲和塵埃是如何坍縮形成恒星的細節，也不知道為什麼大多數恒星會形成星群。有太多的細節，都有待通過觀測和理論的結合來得到進一步的确定。
若要揭示恒星誕生和早期演化，我們需要能夠窺視到隐藏在稠密的塵埃和氣體雲深處的畫面，那裡是恒星形成的起點。然而，由于塵埃的遮擋，這些區域無法在可見光波段下被觀測，而必須在紅外波段進行觀測，這就是為何對于這一領域的天文研究來說，我們急需像韋布空間望遠鏡（JWST）這樣的高分辨率紅外太空望遠鏡。
鷹狀星雲的“創造之柱”在可見光下的圖像（左）和在紅外光波段下的畫面（右）。在紅外光波段下，正在形成的年輕恒星所發出的光線穿透了塵埃和氣體雲。| 圖檔來源：NASA, ESA / Hubble and the Hubble Heritage Team
和恒星生命周期有關的最後一個未解之謎将天文學家帶回到了遙遠的過去。我們知道，每個周期都有一個開始，那麼宇宙中的第一批恒星是如何形成的？JWST将使天文學家有機會觀測到宇宙中的第一縷星光，它将幫助我們填寫宇宙早期曆史篇章中的空白，讓我們更好地了解宇宙是如何通過恒星的生命周期運作下去的，以及我們是如何走到今天這一步的。
#創作團隊：
文：不二北鬥
#參考來源：
https://bigthink.com/hard-science/understand-hertzsprung-russell-diagram-astrophysics/
https://bigthink.com/13-8/how-to-read-hr-diagram/
https://bigthink.com/13-8/hr-diagram-stars-evolve/
https://webbtelescope.org/webb-science/the-star-lifecycle
https://jwst.nasa.gov/content/science/birth.html
#圖檔來源：
封面圖：hubblesite.org
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不代表中科院實體所立場
來源：原理
編輯：樂子超人