红巨星（恒星燃烧到后期经历的阶段）
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更新时间：2023-05-16
红巨星
恒星燃烧到后期经历的阶段
介绍
恒星依靠其内部的热核聚变而熊熊燃烧着。核聚变的结果，是把每四个氢原子核结合成一个氦原子核，并释放出大量的原子能，形成辐射压。处于主星序阶段的恒星，核聚变主要在它的中心（核心）部分发生，辐射压与它自身收缩的引力相平衡，恒星内部氢的燃烧消耗极快，中心形成氦核并且不断增大。随着时间的延长，氦核周围的氢越来越少，中心核产生的能量已经不足以维持其辐射，于是平衡被打破，引力占了上风，有着氦核和氢外壳的恒星在引力作用下收缩坍塌，使其密度、压强和温度都急剧升高，氢的燃烧向氦核周围的一个壳层里推进。这以后恒星演化的过程是：内核收缩、外壳膨胀——燃烧壳层内部的氦核向内收缩并变热，而其恒星外壳则向外膨胀并不断变冷，表面温度大大降低。这个过程仅仅持续数十万年，这颗恒星在迅速膨胀中变为红巨星。氦聚变最后的结局，是在中心形成一颗白矮星。
分类特征
演化
质量在太阳的9至40倍之间的恒星，在耗尽了核心的氢燃料之后，燃烧将会移至核心外围的氢气层。因为惰性的氦核本身没有能源，便因为重力而收缩并被加热，在上面的氢也会跟着一起收缩，因此融合的速度会增加，产生更多的能量，导致恒星变得更为明亮(比原来亮1,000～10,000倍)并且使体积膨胀。体积膨胀的程度超过发光能力的增加，因此表面的有效温度下降。表面温度的下降使得恒星的颜色倾向红色，因此称为红巨星。理论上，恒星光谱从A至K的主序星会演化成为红巨星及红超巨星，而O与B型的恒星会成为蓝超巨星（与红巨星演化有很多不同处）。
对质量小于2.5倍太阳的恒星而言，氦核心需要持续收缩以对抗越来越多的核心的氦积聚，对抗重力的唯有电子简并压力。所以，当温度上升到～1亿度的点燃温度时，早已是类似“白矮星”一般的简并态致密核。这样的氦燃烧无法及时通过热膨胀把能量传输出去，就会出现热失控的氦闪，大约在1分钟内，氦核的大部分都聚变为碳核（以及后续的氧核），并向恒星外层传输出巨量的能量，导致恒星突然性变亮，并持续一个短周期。然后，核心又不再产生能量，外层的氢在较浅的位置上以较复杂的方式继续聚变成氦。恒星核心再次缓慢积聚氦，较长的一段时间后，类似的氦闪又在富含碳-氧内核外的氦包层中再次发生。这时的恒星就位于赫罗图上的渐近巨星分支上，每次氦闪后，从一个红巨星分支进入另一个分支。
如何定义
红巨星是一种演化晚期的恒星，广义上包括氢燃烧以后离开主星序的所有的大光度的恒星。它们位于赫罗图的右方或右上方，属于巨星支或超巨星支，通常这些巨星支或超巨星支的恒星大部分是体积和光度均很大的K型星和M型星，因而是光色发红的低温恒星，故称为红巨星，一部分则为
O型和B型的蓝巨星或蓝白巨星，还有一些为亚巨星支的G、F、A型黄巨星或黄白巨星、白巨星，这类天体的一部分靠近主序的是刚刚从主序移出不久的主序后恒星，另一些则是演化过程中的处于某一阶段的形式，在这一星族中，存在很多型的变星，如造父变星、天琴座RR型变星等，除此之外，一些处于演化早期的恒星也出现在这一区域中，如金牛座的T型星等，但这一类的恒星周围常有弥漫的气体云，而一般的红巨星则没有，这是两者现象的一个不同之处。各类质量的恒星转化为红巨星的现象是不同的，对于质量较小的恒星（小于太阳质量的一半），氢耗尽后中心发生十分缓慢的收缩，最终在未引起氦燃烧以前就处于简并态的电子气的平衡态，因而收缩就会停止，而外壳则稍稍向外膨胀一下，即失去了可见光谱的辐射能力，转化为核心物质周围的冷的星云，核心部分外层剩余的氢由于不足以支持星体的辐射而逐渐熄灭，逐渐向简并态电子气平衡的核心收缩。星体核心物质转化为一颗白矮星而消亡，质量更大一些的、在太阳质量1.8—2.2倍以下的恒星，氢耗尽以后核心也收缩为电子气的简并态平衡状态，由于外层的氢燃烧产生的氦不断加入，氦核心质量不断增大，因而缓慢向内收缩，当中心的氦核心质量增大到0.45个太阳质量时，氦核心收缩的温度使氦被点燃，核心物质在简并态电子气平衡的条件下发生核燃烧，产生的热量使氦核心发生膨胀，进而恢复为电子气的非兼并态，然后形成稳定的核燃烧，质量更大的恒星，内部会在非简并态下直接发生核燃烧。
红巨星
对于质量在太阳1.5倍以下的恒星，它在赫罗图上的移动轨迹是一条底部略有曲折的斜向上的曲线，当恒星移动到这条曲线的顶端时，即发生氦燃烧，尔后，由于恒星物质的热逃逸，氦燃烧变得平稳，光度下降，移至略向左倾斜一点的位置，处于长期的停留状态，而质量在太阳1.5倍以上的恒星，在赫罗图上的移动曲线主要表现为一条水平的曲折的向上移动的轨迹，对于质量在太阳10倍以下的恒星，在移向赫罗图右端时发生氦燃烧，质量大于太阳10倍的恒星，在离开主序后的左端部位即发生氦燃烧，氦燃烧的结果是生成碳。
这个反应通常称为反应，实际上是按照上面两步进行的，直接进行反应的几率很小，由于生成的铍是具有放射性的，只要在非常短的时间内就会重新分解为氦，所以第二步的反应必须紧接着第一步的反应很快地进行，反应才能完整地发生，这就要求星体内部具有较高的密度和温度，这和氢的燃烧大不相同了。恒星内部的氦燃烧的时间比氢燃烧短得多，像太阳这样的恒星可持续10亿年，而质量在太阳几倍到几十倍的恒星，就只有几十万年到几千年，比主序星的寿命短得多，这就是为什么恒星大多分布集中在主序上的原因。
形成原因
恒星开始核反应后在反抗引力的持久斗争中，其主要武器就是核能。它的核心就是一
颗大核弹，在那里不断地爆炸。正是因为这种核动力能自我调节得几乎精确地与引力平衡，恒星才能在长达数十亿年的时间里保持稳定。热核反应发生在极高温度的原子核之间，因而涉及物质的基本结构。在太阳这样的恒星中心，温度达到一千五百万开氏度，压强则为地球大气压的三千亿倍。在这样的条件下，不仅原子失去了所有电子而只剩下核，而且原子核的运动速度也是如此之高，以至于能够克服电排斥力而结合起来，这就是核聚变。
红巨星
恒星是在氢分子云的中心产生的，因而主要由氢组成。氢是最简单的化学元素，它的原子核就是一个带正电荷的质子，还有一个带负电荷的电子绕核旋转。恒星内部的温度高到使所有电子都与质子分离，而质子就像气体中的分子在所有方向上运动。由于同种电荷互相排斥，质子就被一种电“盔甲”保护着，从而与其他质子保持距离。但是，在年轻恒星核心的一千五百万开氏度的高温下，质子运动得如此之快，以至于当它们相互碰撞时就能够冲破“盔甲”而粘合在一起，而不是像橡皮球那样再弹开。四个质子聚合，就成为一个氦核。氦是宇宙中第二位最丰富的元素。氦核的质量小于它赖以形成的四个质子质量之和。这个质量差只是总质量的千分之七，但是这一点质量损失转化成了巨大的能量。像太阳那样的恒星有一个巨大的核，在那里每秒钟有六亿吨氢变成氦。巨大的核能量朝向恒星外部猛烈冲击就能阻止引力收缩。
然而，“恒定”的演化历程终将结束，当所有的氢都变成了氦时，核心的火就没有足够的燃料来维持，恒星在主序阶段的平静日子就到了尽头，大动荡的时期来到了。一旦燃料用光，热核反应的速率立即剧减，引力与辐射压之间的平衡被打破了，引力占据了上风。有着氦核和氢外壳的恒星，在自身的重力下开始收缩，压强、密度和温度都随之升高，于是恒星外层尚未动用过的氢开始燃烧，产生的结果是外壳开始膨胀，而核心在收缩。
在大约一亿度的高温下，恒星核心的氦原子核聚变成为碳原子核。每三个氦核聚变成一个碳核，碳核再捕获另外的氦核而形成氧核。这些新反应的速度与缓慢的氢聚变完全不同。它们像闪电一样快地突然起爆（氦闪耀），而使恒星不得不尽可能地相应调整自己的结构。经历约一百万年后，核能量的外流渐趋稳定。此后的几亿年里，恒星处于暂时的平稳，核区的氦在渐渐消耗，氢的燃烧越来越向更外层推进。但是，调整是要付出代价的，这时的恒星将膨胀得极大，以使自己的结构适应于光度的增大。它的体积将增大十亿倍。这个过程中恒星的颜色会改变，因为其外层与高温的核心区相距很远，温度就低了下来。这种状态的恒星称为红巨星。
巨星真相
红巨星衰亡时期外围炽热物质膨胀范围模型。以太阳系为参照，三个行星轨道从内向外依次是地球、火星和木星。今天的全球变暖日益明显，但是与天文学家从望远镜设备中观测的宇宙中恒星的高温膨胀过程相比，简直就是小巫见大巫了。
通过国际天文学家合作研究发现，通过对宇宙深处数颗衰老膨胀的恒星及其周边环境的仔细观测，进一步揭开宇宙中衰亡恒星——红巨星的真实面目；研究结果使我们可以清晰的预见数十亿年后地球末日来临时的情景：我们赖以生存的地球最终将面临高温炽热的无情吞噬。因为经过天文学家测算，恒星在衰亡时将向外不断膨胀，到那时候曾给予地球温暖阳光的太阳最终也会把地球彻底烤干。
此次天文学家对所观测的猎户座一等星参宿四(Betelgeuse)和大火(Antares)均属于米拉级恒星，是红巨星中体积最大的一类衰亡恒星，由于其体积异常庞大有时也会被称为红超巨星。科学解释认为在这类米拉级恒星星体中，供给其热核反应堆能量的氢元素已经基本耗尽，此时这种衰亡恒星便会不断向外围膨胀，其扩张范围的直径将大大超出地球绕日轨道。而且中心的老恒星会像心脏一样有规律地膨胀和收缩，这种规律性搏动周期大约仅需一年左右时间便可完成一次。
据法国巴黎天文台的研究人员盖伊－佩兰介绍，当的太阳在数十亿年后也进入到这一阶段，届时其周边温度将急剧升高。预计随着恒星的规律性搏动，地球表面温度最高将可能达到3000摄氏度。“这一直接的后果就是，地球上的生命将消失殆尽。”佩兰博士说：“只不过好在这是数十亿年以后的事了。”此次天文学家在研究工作中将数台大型望远镜组合起来，形成了一个高效的超大型天文观测体系，利用干涉测量技术，首次清晰地观测到了恒星表面以外的光球层区域。此次研究中的近红外观测数据均来自美国亚利桑那州史密森天体物理天文台。天文学家介绍称：“每经历一次规律性搏动过程，这些红巨星便会失去部分质量，形成大量的星级介质。”根据佩兰博士的解释认为，实际测算显示出每当这些衰老恒星膨胀收缩一次，就会有相当于三分之一个地球那么多的物质被抛射到宇宙星际空间中，届时我们将看到异常美丽的星云扩散场面。不过到目前为止，科学家们还不清楚具体是什么原因产生这一奇异过程。佩兰博士说：“现在的观点认为，这种扩张收缩过程使得恒星物质漂浮出星体表面，并形成了宇宙尘埃，同时在恒星发出像风一样的光热辐射作用下远离星体，被吹向广袤宇宙空间中。”
在此次最新研究中发现，就在这种恒星辐射风的后面，还存在着一层由水汽和一氧化碳物质层，这一气体层远离恒星表面并将星体团团围住。这使得研究人员感到异常困惑，因为光靠大气压力的作用还不足以能支撑这一又高又厚的物质层。佩兰和他的研究小组认为，很可能恒星离子在其中起到了一定作用。同时此次天文学家还通过研究进一步核实了米拉级恒星的直径大小，他们认为此类红巨星其表层直径比早先认为的要小，大于只有原先预计的70%左右。以太阳系作为参照，其恒星表层直径大约在火星绕日轨道(大于地球绕日轨道)范围左右；而最新发现的水汽和一氧化碳混合层则远离恒星表层，其与恒星中心点距离大约相当于太阳系中火星木星之间的小行星带轨道半径距离。
此次研究小组美国成员，来自亚利桑那州图桑市的美国国家光学天文台的斯蒂芬－瑞基韦表示：“此次的发现解决了以往对米拉级恒星体积大小的争论，同时也进一步描述出恒星衰老搏动的过程及其组成物质，这些发现对于其它恒星也将非常适用。”
到此为止我们可以最终得出这样的结论：当我们的太阳衰老膨胀时，地球将被彻底吞噬并最终蒸发干净，同时紧挨地球的火星最终也将面临被烧焦的厄运。如今所剩下的问题之一就是，像有些科学家推测的那样，地球上的生命迹象到底是终结于极度干旱呢，还是被最终被炽热的太阳膨胀物吞噬后来个彻底的“油炸”呢！
恒星
质量很低的红矮星（<0.5个太阳质量）只有对流层，恒星处于完全对流状态，恒星的元素丰度基本各处相同。由于核心的温度本来就不是很高，而且质量太小，整个恒星无需过于收缩以顶住引力。所以这些恒星即使到了晚期氢丰度不是很高的情况下，也不能通过收缩让累积在核心的氦达到核聚变的温度，既使用尽了氢也不能成为红巨星。由于它们的主序星阶段生命远远长于我们宇宙的年龄，这类恒星的演化仅是理论上的，并无观测实例。
质量极高的O、B型星（25个太阳质量以上），其主序星阶段就位于赫罗图的左上角顶端，属于蓝巨星甚至蓝超巨星。它们将一直在赫罗图的最上方水平移动，氦融合开始后可能成为高光度蓝变星，也可能成为沃尔夫-拉叶星。接着它们就以Ⅱ型或Ⅰb、Ⅰc型超新星爆发结束其短暂的生命。
太阳
天文发现
体积缩小
有研究发现，位于猎户星座的红巨星参宿四15年间体积竟缩小了15%，但天文学家无法解释缩小之谜。参宿四是迄今（2012年）天文学家在宇宙中观测到的十颗最明亮的恒星之一，它是天文学家熟悉的天文观测目标，也是天文学家首次观测到的超大质量恒星，这颗红巨星是哈勃望远镜可以观测到的清晰圆盘状恒星，这是哈勃望远镜能够拍摄到表面状态的第一颗恒星。
太阳演化
2012年8月，国际天文学家小组发现红巨星将内侧轨道天体吞没的证据，暗示50亿年后的太阳也会将地球摧毁。大约在50到75亿年后，足以吞噬掉（2012年）太阳系里，包括地球、火星以内的内侧行星。最终水星，金星，火星甚至连地球都会被太阳吞噬掉。
CWLeo
CW Leo，它是一颗类太阳恒星，诞生时其质量为太阳的4-7倍，但经历了极大的质量流失后，它的质量是太阳的1.2倍，距离地球仅490光年，是最邻近地球的红巨星之一。当前它正在膨胀向太空释放质量进入生命末期。恒星在膨胀过程中将轻微地向外散失灰尘，直到观测到它以恒定流量释放质量，形成平滑的膨胀灰尘气体层，看上去犹如一圈圈清晰的树木年轮。
在过去十年里，天文学家所观测到的CW Leo恒星是不同的。美国纽约大学的帕特里克-哈金斯(Patrick Huggins)说：“这是距离地球最近，持续喷射损耗质量的恒星。”
哈金斯和法国蒙比利埃大学的尼古拉斯-莫隆(Nicolas Mauron)意外发现环绕CW Leo恒星的灰尘层形成一个花生外形，且带有同轴灰尘弧(局部球形壳体)向外膨胀，膨胀范围距离恒星为地日距离的25000倍。依据这颗恒星的膨胀比率，可相应地追溯观测到该恒星8000年前的历史。
迪森称，CW Leo恒星至少环绕着十几个灰尘弧，它们的厚度和位置表明该恒星与邻近灰尘弧外壳的距离发生着变化。那些巨大恒星并不是以恒定比率损失质量，它们处于波动状态。有时恒星损失质量从极地周围，有时从赤道周围。
类似树木年轮的灰尘弧可揭示其形成时间，恒星膨胀向外释放的灰尘壳暗示该过程中形成灰尘弧。恒星喷射灰尘弧之间的间距大约相隔500-1700年。迪森称，恒星表面的温度变化可能使灰尘在较寒冷区域压缩，然后再向外膨胀。
迪森认为应该是这样的。她说：“在未来50亿年里，太阳将膨胀成为一颗红巨星，相应地也将出现类似壮观的太空现象。令人遗憾的是，我们不可能测量分析太阳的年轮，在太阳演变为红巨星的过程中，地球将被太阳所吞噬。”
红巨星死亡阶段
据国外媒体报道，近日，由各国天文学家组成的科研团队利用阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜（ALMA）观测到在距离地球3400光年外，一颗名为LL Pegasi的红巨星及其伴星周围气体的螺旋形态。加州大学洛杉矶分校物理与天文学教授Mark Morris表示，我们观测到的这一壮观景象实为一颗垂死红巨星的最后死亡阶段，以风的形式释放出大量气体。在将观测结果与计算机模拟相比较之后，天文学家们认为该系统周围的气体形态是由高度椭圆轨道造成的。
Morris表示，由于质量大量流失的红巨星的轨道运动，构成风的冷分子气体就像花园喷洒器喷射出的水流一样从恒星上喷射而出。ALMA，这个功能强大的望远镜由包括美国在内的诸多国家共同管理使用，能够测量到极短波长的无线电辐射。
