恒星的大小為什么是有限度的？恒星為何小個子更長壽？恒星的暮年為何那么輝煌？
形形色色的大千世界，其實就是大自然靠幾條簡單的規(guī)律制造出來的，那些千差萬別的恒星們，它們的命運是由什么決定的呢？
恒星的光和熱
從哪里來？
首先要弄清楚，為什么恒星能持續(xù)不斷地發(fā)光放熱呢？
原來恒星的光和熱一般來自它們內部的氫核聚變反應。所謂氫核聚變反應就是氫和氫的原子核結合在一起，形成氦并釋放出大量的能量。而我們知道，一般原子核由質子和中子組成，質子帶正電，中子不帶電，可以削弱質子相互間的靜電排斥力。但是氫原子核中只有一個質子，沒有中子，兩個氫原子核怎么能結合到一塊？正因如此，地球上要進行氫核聚變反應，必須通過復雜過程提取到氫的有中子的兩個同位素哥哥——氘和氚，它們的原子核才能結合在一起生成氦。
然而恒星中只有不含中子的氫，到哪兒找氘和氚去呢？不要著急，宇宙已為恒星準備了一個不需要氘和氚的氫核聚變過程。當恒星中心溫度達到400萬攝氏度以上時，因為太熱，氫的電子早跑掉了，氫就成了孤家寡人，這時說它是氫元素也罷，氫原子核也罷，質子也罷，都是一回事——一個由單個質子組成原子核的氫。所以這時的恒星中心實際上就是一個個的質子在滿天飛，活躍得就像游樂場里瘋狂開著的碰碰車一樣，互相碰撞。偶爾有兩個質子相互碰撞得太厲害了，把其中一個質子的正電子給撞飛了，變成了不帶電的中子，這樣就可以與質子組成氫的同位素哥哥——氘的原子核，這個過程用專業(yè)術語來說，叫“正β衰變”。以前地球上有β衰變，簡單說，就是中子放出一個負電子變成質子的過程。而正β衰變剛好相反，它是質子放出一個正電子變成中子的過程。這種在地球上幾乎沒有見過的正β衰變，其實在恒星中是時時刻刻都在進行著的。
有了氘就好辦了，之后氘會很快與氫結合，生成含有兩個質子一個中子的氦3原子核，但氦3不穩(wěn)定，兩個氦3原子核會相互結合成氦4，并釋放出兩個質子。于是通過這個過程，恒星內的氫就成功聚變成氦，并釋放出大量的能量。這個過程稱“質子-質子鏈反應”，簡稱PP反應。
由于兩個質子在恒星中相互碰撞結合的幾率極小，只有十億分之一，就是說，在10億對質子中，只有1對會碰撞并相互結合。所以這就卡住了核反應的速度，使恒星的能量能夠持續(xù)穩(wěn)定地釋放，而不是突然的爆發(fā)式釋放。像太陽這樣的恒星就有約1056對氫離子，這其中只有十億分之一的氫參與反應，那么，太陽的氫就可以夠太陽持續(xù)燃燒至少100億年。
由此看來，之所以稱為恒星，星體必須有PP反應才行。
恒星的催老素
是上述的核反應讓恒星放光放熱，再大的恒星，含有的燃料終有燃燒殆盡的時候，因此恒星們也有“死亡”的那一天。讓科學家驚訝的是，恒星們的壽命長短竟然有很大的差別：有的能“活”千億歲，自宇宙誕生至今，它還處于幼兒時期；有的則只能“活”幾百萬年，所以現(xiàn)在宇宙中已經(jīng)到處充滿了一些恒星的尸骨——中子星和黑洞。這種壽命長短的對比就像有的活100歲，有的卻活不到1小時！更讓科學家感到奇怪的是，長壽恒星都是小個子恒星，恒星體重越小越長壽，體重越大越短命。這是為什么？不是質量越大的恒星含有的燃料越多嗎？
原因在于，上述質子變氦核的過程中，溫度是個主要條件，小個恒星只有最中心的部分才夠熱，像太陽，差不多是1/10的地方存在核反應，更小的恒星則可能只有1/100的地方才能達到足夠的溫度，這就讓恒星放慢了燃料消耗的速度，從而延長了自己的壽命，所以恒星個子越小，參與反應的燃料所占的比例越小，恒星反而更長壽，只是它放出的光和熱較少。
而大個恒星不僅夠溫度的氫較多，關鍵是內部的高溫還引發(fā)了一種類似被催化劑催化了的核反應！大大加快了燃料消耗的速度。
核反應也有催化劑？很有意思！那么誰是催化劑呢？
恒星從星云襁褓中“誕生”后，構成它的物質中，超過99.9%的元素是氫，但也有極少量其它元素，例如也會含有極少量的碳。前面說過，質子與質子相撞生成氦的幾率很小，因此反應速度并不快。但是當恒星的質量較大，中心的溫度更高，達到1300萬攝氏度以上時，碳就會與質子結合，并進行正β衰變，這個過程不斷重復，會生成氧15，再變成氮15，氮15繼續(xù)與質子結合，就又變回碳，并放出氦。這個過程中，碳并沒有消耗，它只是起到了類似媒人的作用，讓4個質子結合起來，變成了氦，因此，碳催化了質子變氦核的聚變反應。這個過程中有氮和氧等中間產(chǎn)物生成，因此又叫碳氮氧循環(huán)，簡稱CNO循環(huán)。
有了碳的催化，宇宙那十億分之一的速度關卡也就失效了，氫核聚變的反應速度大大提高，迅速把恒星中的氫變成氦，釋放出大量的光和熱。即使恒星內部只有極少量的碳，一旦這個催化反應被點燃，恒星的壽命也就會快速縮短。這就是為什么大質量恒星的壽命會出乎意料地短暫，原來碳是它們的催老素！
恒星末年的輝煌
不管恒星衰老的速度快還是慢，有沒有碳作為催老素，恒星的壽終正寢都需要另一個反應前來“索命”。
一般情況下，恒星里的氫變成氦之后，氦就不會繼續(xù)反應了，但在高溫下氦能與氦反應，生成的是鈹8，鈹8是極不穩(wěn)定的，生成之后馬上又分解成了氦，因此宇宙相當于又用氦卡住了核反應的“脖子”，讓恒星不至于放出太多的能量。
但是當恒星核心的氫燃燒得所剩不多的時候，靠氫核反應釋放的能量不足以對抗恒星自身的引力，恒星內部就會急速塌縮，塌縮導致溫度急劇升高，達到上億攝氏度時，鈹8生成的速度太快了，超過了其分解的速度，于是恒星中心就會有少量鈹8存在，鈹8只要能存在，就會快速吸收一個氦，生成穩(wěn)定的碳，從而釋放出巨大的能量，這個過程是3個氦，也就是3個α粒子參與的反應，因此又叫3α反應。
這個反應使恒星內部溫度繼續(xù)升高，又會點燃更多的氦生成碳，釋放更多的能量。同時恒星外層的氫也因高溫啟動了碳催化的CNO循環(huán)反應，這樣，瞬間就有異常巨大的能量釋放，這巨大的能量會導致太陽質量以下的恒星急劇膨脹，體積增大上億倍，形成壯觀的紅巨星。而較大的恒星則會突然超新星爆發(fā)，拋出大量的物質。外層物質拋出后，中心的殘骸最終的命運，或者變成白矮星，或者變成中子星，或者變成黑洞，變成什么與殘骸質量大小有關。經(jīng)歷了暮年的輝煌之后，恒星就這樣快速地死亡了。
恒星的體重和體積
恒星雖然死亡了，關于恒星一生的經(jīng)歷，我們還可以品評一下。在恒星的一生中，除了恒星的體重變化不大之外，恒星放出的光和熱，恒星的體積和密度都在不斷變化著。
關于恒星的體重，其實是有個限度的，恒星的質量不能無限大，也不能無限小，其中起決定作用的就是PP反應所要求的高溫。像木星等氣體星球的成分與太陽的成分很相似，但為什么木星不能像恒星那樣燃燒？原因就是木星的個頭太小，體重不夠。因為體重不夠的話，引力就小，難以收縮達到足夠的高溫，也就難以產(chǎn)生PP反應，所以難以成為恒星。就像煤場的煤堆得足夠高時，里面才會發(fā)生自燃一樣，一小堆煤放一百年也不會自燃。通過計算，科學家發(fā)現(xiàn)只有體重達到太陽質量的0.08以上時，上述的核反應才能點燃，這就決定了恒星的體重至少是0.08個太陽質量。
同樣，恒星也不能無限大。科學家目前認為，恒星的體重不能超過太陽質量的3000倍，否則它就無法存在。
為什么呢？如果恒星太大了，假設超過了3000個太陽質量，其自身重力導致的內部急劇收縮，會使恒星內部的溫度達到1億攝氏度以上，這時3α反應就會啟動，使得恒星中心短時間內釋放出巨大的能量，這會導致它急劇膨脹或爆炸，恒星因此也就分解了，很可能分解為很多小恒星。由此看來，超過3000太陽質量的恒星是無法穩(wěn)定存在的，這就決定了恒星的質量上限不能超過3000個太陽質量。
恒星的體重相互之間相差雖然不是很大，也就幾萬倍。但是恒星的體積卻可以相差十億倍之多。不同年齡段，不同質量的恒星，其內部進行的核反應的種類和劇烈程度就會不同，釋放的能量也會不同。引力讓恒星具有收縮的趨勢，而能量的釋放則讓恒星有膨脹的趨勢，恒星體積的大小就是這兩種力量相互對抗、達到平衡后的結果。如此，一顆恒星的體積和密度也就會隨著年齡大小和放熱多少而不斷發(fā)生變化。
從上面的情況可以看出，恒星放出的光和熱，恒星壽命的長短，恒星體積和密度的大小都是上述三個反應作用的結果。宇宙就是這樣用三個核反應決定了所有恒星一生的命運。
