记录《Astronomy Today》的学习笔记，暂时没有好好排版ᓚᘏᗢ
十六、太阳
16.1 太阳的物理特性
太阳是一颗恒星，一个发光的气态球体，靠自身的引力聚集在一起，并由其中心的核聚变提供能量。太阳的半径约700000km，质量为2×10^30 kg，密度为1400 kg/m3，与类木行星相近，太阳的自转与类木行星类似，赤道快，两极慢，太阳在赤道处的自转周期约为25天，两极没有太阳黑子，无法通过其确定自转周期，但科学家推测两极的周期可能为36天。将观测到的太阳光谱结合辐射定律，可以得到太阳的表面温度，太阳辐射的分布形状近似于一个5800K的物体的黑体曲线，用这种方法得到的太阳平均温度称为太阳的有效温度（effective temperature）。
天文学家定义的太阳半径是太阳光球层（photosphere）的半径，光球层向外依次是色球层（chromosphere）、过渡区（transition zone）、日冕（corona）和太阳风（solar wind），光球层向内依次是对流层（convection zone）、辐射区（radiation zone）和太阳的核（core），光球层是我们肉眼看到的太阳边缘，十分明确，太阳的温度在过渡区内剧增，术语太阳的内部通常指对流层和辐射区，太阳的核心半径约200000km，是为太阳输出巨大能量产生核反应的地方。
除了尺寸、质量、密度、自转速度和温度这些行星的性质，太阳还有一个特别且重要的性质——向外辐射的能量，在地球大气层外层接收到的辐射太阳能的平均值称为太阳常数（solar constant），为每平方米1370W/m2。以太阳中心为球心，太阳到地球的距离为半径的假想球体的表面积与太阳常数的乘积即为太阳在这个距离的各个方向上发出能量的速率，称为光度（luminosity），为4×10^26 W。
16.2 太阳内部
我们无法直接观测太阳内部，于是天文学家通过建立数学模型来确定最符合观测的太阳内部模型，最被天文学家广泛接受的是标准太阳模型（standard solar model），理论模型首先假设太阳处于流体静力平衡状态（hydrostatic equilibrium），在这种状态下，太阳内部向外的力正好等于重力向内的力。
为了获得太阳内部的信息，天文学家采取了一些间接的方式，太阳光谱线的多普勒频移揭示了太阳表面的振荡，这些振荡是内部压力波反射光球层并反复穿过太阳内部的结果，由于引力波可以穿透太阳内部深处，对其表面模式的分析使科学家能够研究太阳表面以下的情况，这个过程类似于地震学家通过观测地震波来了解地球内部，这种方式对太阳的研究也被称为日震学（helioseismology）。对太阳振动最广泛的研究是正在进行的GONG（Global Oscillations Network Group，全球振荡网络）项目，由欧洲发射的SOHO（Solar and Heliospheric Observatory，天基太阳和日光层天文台）
现在永久驻扎在地球和太阳之间，距离地球约150万公里，提供了对太阳表面和大气的持续监测，对这些数据集的分析提供了关于太阳内部温度、密度、旋转和对流状态的详细信息，标准太阳模型和观测结果之间的一致性是惊人的，观测到的太阳振荡的频率和波长与模型预测的误差在0.1%以内。
根据标准太阳模型，由内向外，太阳的密度减小温度降低，太阳核心的密度高达150,000 kg/m3，温度高达150000K，而太阳光球层的密度只有2× 10^−4 kg/m3，温度只有5800K。在太阳内层，温度极高，对辐射来说是透明的（高温使粒子完全电离，原子中没有电子来捕获光子），太阳的能量通过辐射传输，再往外些温度降低，对辐射逐渐变得不透明，能量通过对流输送，在离地核一定距离的地方，太阳气体变得稀薄，无法通过对流进一步上涌，由于气体稀薄，无法阻挡太多的阳光，所以气体再次变得透明，辐射再次成为能量传输的机制，由此能量完成从太阳核心到太阳表面的输送。
在太阳对流区的顶层，分布着许多米粒组织（Granulation），米粒组织不同亮度的变化完全取决于温度的不同，每个米粒组织形成太阳对流胞的顶端部分。超米粒组织（Supergranulation）是非常类似于米粒组织的一种流动模式，随着米粒组织的流动，物质在单元胞的中心上涌，在表面流动，再从边缘沉没回去。
16.3 太阳大气
通过分析光球层和更低层大气中的吸收谱线，天文学家可以收集到大量关于太阳的信息，已经确认了太阳大气中的67种元素，主要是氢和氦，尽管太阳光谱主要反映的是光球层和色球层的元素，但天文学家认为除了太阳核心的内部也是如此。在光球层之上是温度较低的色球层，这个区域本身发出的光很少，在正常情况下无法用肉眼观察到，但再发生日食时可以看到，日食时色球层的红色特征是清晰可见的，这种颜色是由于色球层光谱中氢的红色Hα（氢α）发射线占主导地位，色球层每隔几分钟，就会爆发小型太阳风暴，将被称为针状体的热物质喷射到太阳的高层大气中，这些又长又细的物质尖峰以大约100公里/秒的速度离开太阳表面，到达光球层上方几千公里处。
在日食的短暂时刻，如果月球的角尺寸大到光球层和色球层都被遮挡，就可以看到日冕，此时看到的光谱线将不是吸收谱线而是发射谱线，观察这些新的谱线让天文学家最初以为发现了新的原子，现在我们知道是日冕处的原子电离程度更高，因为日冕处的温度更高，温度在光球上方约500公里处降至最低约4500K，此后温度稳步上升，在光球以上约1500公里处的过渡区，温度开始迅速上升，在1万公里的高度达到100万K以上，在日冕中，温度大致保持在300万K左右，温度迅速上升的原因尚不完全清楚，可能与光球层的磁场有关。
太阳表面不断有快速运动的粒子（主要是质子和电子）逃离太阳，被称为太阳风，速度约为500km/s，经过几天时间到达地球。太阳风是日冕高温的结果。在光球层上方约1000万公里处，日冕气体的温度足以使这些气体摆脱太阳的引力，向外流入太空，同时太阳的大气层也在不断地从内部得到补充，每秒有200万吨太阳物质以这种方式流失，但自46亿年前太阳系形成以来流失的质量不到太阳质量的0.1%。
16.4 太阳磁场
太阳表面许多黑色的斑点，伽利略在1613年前后对这些“斑点”进行了详细的研究，提供了最早的线索之一，这些黑暗的区域被称为太阳黑子（sunspots），直径通常约为1万公里，和地球差不多大，它们经常成群发生，在某一时刻，太阳可能有数百个黑子，也可能一个也没有。对太阳黑子的研究表明，黑子的中心有一个暗色的本影（umbra），周围是灰色的半影（penumbra），太阳黑子其实只是光球气体中温度较低的区域，本影的温度约为4500K，半影约为5500k，，它们实际也很亮，只是因为它们的背景更亮，所以看起来暗。太阳黑子与太阳磁场有着密切关联，一个典型的太阳黑子处的磁场是周围光球层区域磁场的1000倍，磁场的方向垂直于太阳表面，科学家认为太阳黑子之所以温度低，是因为强大的磁场阻挡了热气的对流流动，太阳黑子几乎成对出现并具有相反的磁极。
太阳黑子并不稳定。大多数会改变大小和形状，单个太阳黑子可能持续1到100天；一大群太阳黑子通常会持续50天，太阳黑子的数量和在太阳表面的分布有相当规律的变化，几个世纪的观察已经建立了一个清晰的太阳黑子周期，太阳黑子的平均数量每11年左右达到最大值，然后在周期重新开始之前几乎降至零，从更复杂的角度看完整的太阳周期是22年，在一个太阳活动周期的前11年，北半球所有黑子对的前导黑子有着相同极性，南半球的黑子有着相反极性，在后11年极性逆转。天文学家认为，太阳的磁场是由磁场线的不断拉伸、扭曲和折叠产生和放大的，而磁场线的拉伸、扭曲和折叠是由微分旋转和对流的综合效应产生的，尽管细节还没有得到很好的理解，该理论与解释地球和类木行星磁场的“发电机”理论相似，只不过太阳发电机的运行速度更快，规模更大。
将太阳黑子的观测数据追溯到望远镜发明时期，科学家发现太阳黑子的周期不那么符合11年周期性，而是7到15年不等，而且有许多年太阳周期完全消失了，在1645到1715年是太阳不活动的漫长时期，被称为蒙德极小期（Maunder minimum），在此期间地球的极光也变得稀少，大多数天文学家怀疑太阳的对流区或旋转模式发生了变化，但对此仍没有完整的解释。
16.5 活动的太阳
一对或一组太阳黑子周围的光球层有时会爆发，向日冕喷射出大量高能粒子，这些高能事件发生的地点被称为活动区域（active regions），这些现象往往遵循太阳活动周期，并且在太阳活动极大期前后最为频繁和剧烈。太阳日珥（prominences）是太阳表面活跃区域喷出的环状或片状发光气体，在太阳磁场的影响下穿过日冕的内部，在太阳黑子群内部和附近发现的强磁场中的磁不稳定性可能导致日珥，宁静日珥（Quiescent prominences）持续数天甚至数周，悬浮在光球层之上，活动日珥（Active prominences）的出现和消失更加不规律，在几小时内改变它们的外观，或者从太阳光球中涌起，然后马上回到光球层，一个典型的日珥的范围约为10万公里，是地球直径的10倍。
耀斑（Flares）是另一种类型的太阳活动，可以从太阳活跃区域附近的低空大气中观测到，并且耀斑甚至比日珥更猛烈（甚至更不容易理解），它们经常在几分钟内掠过太阳的一个区域，并释放出巨大的能量，空间观测表明，x射线和紫外线的辐射在耀斑的极其致密的中心特别强烈，那里的温度可以达到1亿K，耀斑被认为是造成太阳表面振荡的大部分内部压力波的原因。太阳的日冕物质抛射（coronal mass ejection）有时与耀斑和日珥有关，这些现象是电离气体的巨大磁性“气泡”，它们与太阳大气的其余部分分离并逃逸到行星际空间，它们携带着巨大的能量，如果它们的磁场方向正确，它们可以通过一个被称为重联的过程与地球磁场合并，将它们的一些能量倾倒到磁层中，并可能在我们的星球上造成广泛的通信和电力中断。
与光球层的辐射的电磁波主要集中在可见光波段不同，日冕处的电磁波辐射主要集中在X射线波段，因此X射线望远镜成为研究日冕的重要工具，在20世纪70年代中期，NASA太空实验室空间站上的仪器显示，太阳风主要通过被称为日冕洞（coronal holes）的太阳“窗口”逃逸，日冕洞缺乏物质，在太阳大气和磁场的干扰下，那里的气体能够以高速自由地流入太空，最大的日冕洞，直径可达数十万公里，并可存活数月，如此大的日冕洞每十年只能看到几次，较小的洞（几万公里大小）更为常见，每隔几个小时就会出现一次，在太阳活动周期中，日冕洞似乎是太阳大规模磁场逆转和自我补充的过程中不可或缺的一部分。日冕洞的结构和演化还没有被完全了解，它们目前是研究的热点。
16.6 太阳核心
太阳和其他恒星的能量来源于核聚变（nuclear fusion），本质是两个较轻的原子反应生成一个较重的原子并释放能量的过程，其能量的释放符合爱因斯坦的质能方程（mass-energy equivalence），E = mc2。
所有的原子核都带正电，所以它们相互排斥，并且根据平方反比定律，两个原子核距离越近，它们之间的斥力越大，但是如果它们以足够高的速度碰撞，一个质子可以瞬间深入另一个质子，最终进入极短的强核力范围内，在距离小于10^-15米时，核力的吸引力压倒了电斥力，发生核聚变。两个质子（proton）的聚变生成一个氘核（deuteron），一个正电子（positron）和一个中微子（neutrino），其中产生的正电子被认为是电子的反粒子，它与电子接触时会立刻发生湮灭（annihilate），并以伽马射线光子的形式产生纯能量；中微子是一种呈电中性并且质量极小的粒子，质量只有电子的十万分之一，几乎以光速运动，几乎不与任何物质相互作用，可以不间断地穿透几光年厚的铅，相互作用的力主要是弱核力；氘是氢的同位素，氢有三种同位素，氕核含有一个质子，氘核含有1个质子和1个中子，氚核含有1个质子和2个中子。
为太阳（以及绝大多数恒星）提供能量的核反应不是一个单一的反应，是一个称为质子-质子链（proton– proton chain）的序列：
1.两个质子聚变产生氘核，正电子和中微子，正电子和电子湮灭以伽马射线形式释放能量；
2.氘核继续与另一个质子聚变产生氦3（氦的同位素），再次以伽马射线形式释放能量；
3.两个氦3聚变产生氦4，再次释放伽马射线能量。
净效应是：4个质子→1个氦4+2个中微子+能量
太阳核心的能量主要以伽马射线的形式存在，其他反应序列也可以为太阳提供能量，但质子-质子链序列产生了几乎90%的太阳亮度。核聚变缓慢但稳定地将轻元素转化为重元素，并在此过程中产生能量，实际上是我们看到的所有星光的原因。
16.7 太阳中微子的观测
理论学家非常肯定，质子-质子链在太阳的核心起作用，但产生的伽马射线能量在从太阳出来时被转化为可见光和红外辐射，找不到直接的反应证据，而中微子干净利落地离开太阳，几乎不与任何物质相互作用穿梭在宇宙空间中，是我们了解太阳核心状况的最佳选择，人们利用多种方式来探测到达地球的中微子，一些探测器使用大量的氯或镓元素，它们比大多数元素更容易与中微子相互作用，这种相互作用使氯原子核变成氩原子核，或使镓原子核变成锗原子核通过探测产生新原子的衰变辐射来探测中微子；其他探测器通过探测高能中微子偶尔与水分子中的电子碰撞，碰撞使电子加速到接近光速时发出主要为紫外波段的电磁辐射，在可见光波段，水呈现蓝色，大型光电倍增管探测到由此产生的微弱辉光，从而探测中微子；在所有情况下，特定的中微子与探测器中物质相互作用的概率都非常小，只有1 / 10^15的中微子真正被探测到。尽管观测到太阳中微子，太阳的理论中微子输出和地球上实际探测到的中微子数量之间存在着差异，到达地球的太阳中微子的数量比标准太阳模型预测的要少得多（少50%到70%），这种差异被称为太阳中微子问题（solar neutrino problem），在这种情况下，实际上只有两种可能性：要么太阳中微子没有我们想象的那么频繁地产生，要么不是所有的中微子都能到达地球。
第一种可能性让科学家修改标准太阳模型，将太阳核心的温度调整的更低，而日震观测发现实际温度与原来的标准太阳模型符合得很好，并且无论怎样调整太阳标准模型都无法符合观测得到的中微子能谱；第二种可能性是中微子在传播到地球途中发生了转换，这个过程被称为中微子振荡（neutrino oscillations），这个过程如果发生将说明中微子并不是科学家们一开始认为的没有质量。
1998年，日本的超级神冈探测器（Super Kamiokande detector）首次发现了中微子振荡的确切证据（尽管不是太阳中微子的转换类型），2001年，加拿大的萨德伯里中微子天文台（Sudbury Neutrino Observatory ，SNO）发表了测量结果，探测到了太阳发出的全部三种中微子（电子中微子、μ子中微子和τ子中微子），观测到的中微子总数与标准太阳模型完全一致，太阳中微子的问题解决了，中微子天文学宣告了它的第一个重大胜利。
十七、恒星
17.1 太阳邻居
我们生活的星系银河系（the Milky Way）是一个由恒星和星际物质通过引力聚集在一起的巨大集合，它包含超过1000亿颗恒星，分布在近10万光年宽的空间中，里面的所有恒星都围绕着距离地球约2.5万光年的银河系中心运行。
第一章中我们提到可以使用视差法测量恒星的距离，原理是通过在地球的不同位置观测待测恒星在背景中的位移来计算距离，地球上这段不同位置的距离称为基线，我们通常从地球在太阳的两个对立位置观察，将基线尺寸扩大到2AU，一些恒星视差才可以测量，视差角（parallactic angle）也被称为视差（parallax），是以基线为底边，待测恒星为顶点的等腰三角形顶角的一半。视差以角秒（arc seconds，符号是’’）为单位（1度=3600角秒），恒星视差法中视差为1角秒的待测恒星，其离我们的距离定义为1秒差距（parsec，pc），1pc约为3.26光年，于是有：待测恒星距离（以秒差距为单位）=1/视差（以角秒为单位）。
除太阳外离地球最近的恒星是比邻星（Proxima Centauri），它是半人马座阿尔法星（Alpha Centauri）三星系统的其中一个恒星，它距离地球1.3pc（4.3光年），是地球到太阳距离的30万倍，这是银河系中相当典型的星际距离。除了半人马座阿尔法星系统外离我们最近的是巴纳德星（Barnard’s star），距离我们1.8pc（6光年）。地面观测的恒星图像通常会因地球大气湍流而模糊成半径约1角秒的圆盘，但特殊设备可常规测量0.03角秒甚至更小的恒星视差，这相当于测量距离地球约30pc（100光年）范围内的恒星，将天文仪器置于地球大气层外的太空，可获得更高测量精度，欧洲空间局（ESA）的“盖亚”项目（GAIA）于2013年发射，测量范围达惊人的10,000pc，覆盖银河系大部分区域，包含约10亿颗恒星。
除视差造成的视运动外，恒星在银河系中还存在真实的空间运动，地球上的天文学家所观测到的恒星运动包含两个分量，径向速度（沿视线方向）可通过多普勒效应测量，横向速度（垂直于视线方向）则可通过精密监测恒星在天球上的位置变化来确定，恒星在天空中每年相对于背景天体的视运动（经视差校正后）被称为自行运动，这种运动反映了恒星相对于太阳的横向速度分量，自行运动速度单位通常采用角秒/年，巴纳德星自行运动值是所有已知恒星中最大的，为10.4角秒/年，目前已知仅有数百颗恒星的自行运动超过1角秒/年。
17.2 光度和视亮度
光度（Luminosity）是恒星的固有特性，与观察者的位置和运动无关，光度有时指的是恒星的绝对亮度（absolute brightness）；视亮度（apparent brightness）和观测者的位置有关，它是单位时间照射在接收器上单位面积的能量，所以视亮度也被称为能量通量，可以被直接测量出来。视亮度与观测者到恒星的距离的平方成反比，与恒星光度成正比。十六章提到的太阳常数其实就是太阳的视亮度。
公元前 2 世纪，希腊天文学家喜帕恰斯将肉眼可见的星星分为六类，从亮到暗依次为从1等到6等，天文学家认为星等（magnitude）比使用国际制单位表示亮度更方便，于是对这个概念进行了扩展，并定义为视星等（apparent magnitude），视星等相差为5时，其视亮度相差100倍，但仍遵循星等越小视亮度越亮的原则，范围也被扩大，从太阳的-26.7到哈勃望远镜能看到的30。并且将在距离恒星10pc的位置上观察的视星等定义为绝对星等（absolute magnitude）。
17.3 恒星温度
天文学家可以通过在几个频率上测量恒星的视亮度，然后将观测结果与合适的黑体曲线相匹配，来确定恒星的表面温度。就太阳而言，最能拟合其辐射理论曲线描述的是一个温度为 5800 K的辐射体。由于黑体曲线的基本形状已被人们熟知，天文学家只需在选定的波长上进行两次测量就可以估算出一颗恒星的温度，通过使用望远镜滤光片来实现，通常使用B滤光片（蓝光滤光片，380nm-480nm）和V滤光片（人眼滤光片，490nm-590nm），只要恒星的光谱能很好地近似为黑体，对 B和V波段辐射通量的测量就足以确定该恒星的黑体曲线，从而得出其表面温度，这种使用一组标准滤光片进行的非谱线分析被称为光度测量法（photometry）。
不同表面温度的恒星光谱具有不同特征：
1.表面温度超 25000K 的恒星，光谱有单电离氦及多重电离较重元素的强吸收线，但氢吸收线弱。（高温能激发电离紧密的原子，并使大量氢电离）
2.表面温度约 10000K 的中等温度恒星，氢谱线最强，结合紧密原子谱线少见，结合松散原子谱线较常见。（该温度适合氢原子电子在轨道间频繁移动）
3.表面温度低于约 4000K 的恒星，氢谱线弱（温度低难以让电子脱离基态）；强谱线由弱激发重原子产生，无电离元素谱线，且低温使分子能存在，许多吸收线由分子产生。
天文学家根据恒星的表面温度进行分类能更有效地揭示其特性，在现行分类中，温度递减的字母顺序为O、B、A、F、G、K、M，这些分类被称为光谱分类（或光谱型），天文学家将每个字母类别进一步细分为0-9十个等级，数字越小表示温度越高，例如太阳属于G2型（比G1稍冷，比G3稍热），织女星为A0型，巴纳德星是M5型，参宿四为M2型。
17.4 恒星尺寸
天文学家通过直接和间接的方式测量恒星的尺寸，对于较大，较亮较近的恒星，天文学家可以通过高分辨率的天文望远镜得到其角直径，如果距离也已知那么就可以根据简单的几何知识直接得出这颗恒星的最大尺寸，这里说最大尺寸是因为我们常常无法判断它是否是一个多星系统构成的亮斑，参宿四（Betelgeuse）就可以通过直接测量测出其尺寸。
大部分恒星其实都不够近不够大无法直接测量其尺寸，而是间接通过辐射定律来得到其尺寸，恒星辐射遵循斯特藩-玻尔兹曼定律，该定律指出：单位面积单位时间内辐射的能量与恒星表面温度的四次方成正比，而光度和恒星表面积成正比，由此可得半径-光度-温度关系，恒星光度正比于恒星半径的平方和表面温度的四次方的乘积：光度 ∝ 半径2 × 温度4，通过我们已知的太阳的光度半径和温度可以得出正比的系数，这样我们只要知道一颗恒星的光度和温度就能计算出其半径。10-100倍太阳半径的恒星称为巨星（giants），1000倍太阳半径的恒星称为超巨星（supergiants），小于或近似太阳半径的恒星（包括太阳）称为矮星（dwarf），毕宿五是一颗红巨星（red giant），参宿四是一颗红超巨星（red supergiant），南河三B是一颗典型的白矮星（white dwarf）。
17.5 赫罗图
恒星的光度和表面温度存在一定的相关性，为此天文学家创造了赫罗图（Hertzsprung–Russell diagrams，H–R diagrams）来直观展现这种相关性，通常赫罗图的纵轴为光度，从下到上递增，横轴为温度，从左到右递减，恒星在图上并非均匀分布，而是主要分布在一条左上至右下的被称为主序（main sequence）的带上，带上的恒星被称为主序星（main sequence star），即对大部分恒星来说，温度越高就越亮，赫罗图上的虚线表示位于同一条线上的恒星其半径相同，根据上一章提到的恒星半径-光度-温度关系，越往上的虚线，位于虚线上的恒星有越大的半径，主序列左上的恒星大、蓝且亮，被称为蓝巨星（blue giants），非常大的称为蓝超巨星（blue supergiants），右下的恒星小、红且暗，被称为红矮星（red dwarfs）。
位于赫罗图的左下和右上区域的恒星不在主序带上，左下分布了一些暗淡的热恒星，被称为白矮星区域（white-dwarf region），南河三B就是一颗白矮星，它的温度为8500K，光度约为太阳值的0.0006；右上区域分布的是红巨星区域（red-giant region），毕宿五就是一颗红巨星，其表面温度为4000K，光度约为太阳的300倍。在太阳附近的恒星中，主序星占90%，白矮星占9%，红巨星占1%。
17.6 扩展宇宙距离标尺
前面我们提到，在1AU内，我们使用雷达进行距离测量，在200pc以内，我们使用恒星视差法进行距离测量，而在10000pc以内，我们可以采用分光视差法（Spectroscopic parallax）进行距离测量，分光视差法测距的步骤如下：
1.测量恒星的视亮度和光谱型
2.通过光谱型估算恒星的光度
3.通过平方反比定律得出恒星到我们的距离
其中这种方式假定了遥远恒星与附近恒星一样分布在主序上，从而能让我们通过赫罗图实现上述的第二个步骤，但其实主序星分布并非直线，而是一条带，所以通过这种方式得出的距离可能存在25%以内的误差。
如果要测量的恒星不是主序星而是白矮星或红巨星呢，在4.5节我们提到，对光谱线宽度的详细分析能揭示谱线形成处气体的密度，红巨星的大气密度远低于主序星，而主序星的大气密度又远低于白矮星。天文学家建立了一套基于恒星谱线宽度的分类体系。由于谱线宽度取决于恒星光球层的密度，而该密度又与光度密切相关，因此这一恒星属性被称为光度级（luminosity class），分别为Ia、Ib、II、III、IV、V。像温度和光度一样，我们现在可以通过光谱型和光度型来精确标定恒星在赫罗图上的位置，完整的恒星光谱特征描述必须包含光度型指标，太阳为G2V型黄矮星，参宿七是B8Ia型蓝超巨星，参宿四为M2Ia型红超巨星。以表面温度约4500K的K2型恒星为例：若谱线宽度显示其为主序星，则判定为K2V型巨星，其光度约为太阳的0.3倍；若谱线窄于典型主序星，则判定为K2III型巨星，光度为太阳的100倍；若谱线异常狭窄时，可能归类为K2Ib型超巨星，其光度达到太阳的4000倍。
通过光度型这一关键参数，天文学家不仅能准确识别恒星类型，还能可靠估算其光度值，进而推算出恒星的距离，这种光谱诊断方法为宇宙尺度测量提供了重要依据。
17.7 恒星质量
恒星的质量和成分是恒星的两个关键属性，二者共同决定了恒星独特的内部结构、外部形态，以及其未来的演化轨迹，通过光谱分析我们能知道恒星的成分，现在让我们转向恒星质量的测量难题。
绝大多数恒星都属于多星系统，其中双星系统最为普遍，太阳并不属于多星系统，这或许是它特别的一点。天文学家根据观测方式将双星系统分类，目视双星（Visual binaries）的成员星间距较大且亮度足够，能分别观测追踪；更常见的光谱双星（spectroscopic binaries）因距离过远无法分辨为独立恒星，但可通过监测其光谱线随轨道运动产生的多普勒频移来间接识别：当恒星朝向观测者运动时谱线蓝移，远离时红移，在双线光谱双星（double-line spectroscopic binary）中，两套分别对应各成员星的光谱线会周期性摆动；而更普遍的单线（single-line）系统中，较暗恒星的光谱难以分辨，仅能观测到一组摆动的谱线，这种现象暗示着可见星正在绕不可见伴星运转；罕见的食双星（eclipsing binaries）系统轨道面几乎与视线平行，当一星从另一星前方经过时会造成星光周期性衰减，通过分析这种光变曲线（light curve），天文学家不仅能推算轨道参数和质量，还能测定恒星半径。上述分类并不互斥，比如单线双星也可能恰好是一个食双星系统。
天文学家通过观测恒星的实际轨道运动、光谱线的周期性位移或光变曲线的亮度衰减，能够精确测定双星系统的轨道周期，目前已观测到的周期范围极为宽广，短至数小时，长逾数世纪。对于目视双星，若已知其距离，通过几何测量可直接确定轨道半长径，结合轨道周期并运用开普勒第三定律的修正形式即可计算出双星总质量，再通过测量各恒星到质心的距离，可获得质量比进而得出两个恒星各自的质量；对于光谱双星，双线光谱双星虽然能测定各自径向速度并推导质量比，但轨道倾角的不确定性使得我们仅能获得恒星质量的下限值，单线系统的情况更为受限，仅能测得可见星的轨道速度分量，此时必须假设伴星质量（通常依据恒星演化模型估算）才能推算可见星质量。若光谱双星恰好又是食双星系统，此时双线系统可精确测定两星质量，单线系统则能大幅简化质量函数计算，只要通过其他方法（如确认主星为某光谱型主序星）确定可见星质量，即可推算出不可见伴星质量。
17.8 质量与其他恒星属性的关系
根据对大量恒星的观测数据，在主序星上，有一个基本的近似法则，恒星的半径与其质量成正比，恒星的光度与其质量的4次方成正比。我们可以简单地用可用的燃料量（恒星的质量）除以燃料消耗的速度（恒星的光度）来估计一颗主序星的寿命，那么恒星的寿命正比于其质量除以光度，又因为光度正比于质量的4次方，所以恒星的寿命与质量的3次方成反比。太阳的寿命是100亿年，主序星中一个10倍太阳质量的恒星它的寿命可以快速得出，为1/1000太阳寿命即1千万年。恒星的质量越小，光度越小，寿命越长。
十八、星际介质
18.1 星际物质
恒星之间的物质统称为星际介质（interstellar medium），由遍布宇宙的气体与尘埃两种组分混合构成，气体主要由平均尺寸约10⁻¹⁰米（0.1纳米）的单个原子及不超过10⁻⁹米的小分子组成；星际尘埃则更为复杂，是由原子和分子构成的团块——其性质类似粉笔灰或组成烟雾、煤灰、雾霭的微观颗粒。星际物质在宇宙中的分布极不均匀并会对远处的恒星造成不同程度的遮挡。
我们可以通过星际尘埃对星光的影响来测算其数量与大小。根据经验法则，光束只能被直径接近或大于辐射波长的粒子吸收或散射，典型星际尘埃颗粒（dust grain）的尺寸约10⁻⁷米（0.1微米），与可见光波长相当，这导致星际尘埃区域对长波无线电和红外辐射透明，却会阻挡短波可见光与紫外辐射，星际物质造成的星光整体衰减现象称为消光（extinction）。
由于星际介质对短波辐射的阻挡更强，遥远恒星的高频（”蓝”）成分会优先损失，因此除了亮度普遍降低，恒星看起来会比实际更红，这种被称为红化（reddening）的效应，其原理与地球壮丽红霞的成因相似。消光与红化会改变恒星的视亮度和颜色，但抵达地球的辐射仍保留原始光谱吸收线特征，使天文学家能确定恒星光谱类型，通过对比主序星的光谱/光度类型与其实际光度颜色，测量星光在传播途中经历的消光与红化程度，就能推算视线方向上星际尘埃的分布特性，对不同方位、不同距离恒星的重复观测，最终构建出太阳系周边星际介质的分布图谱。红化效应在致密尘埃云（称为球状体）中尤为显著，巴纳德68云团核心区域对所有可见光波段都不透明，但边缘区域因尘埃较少仍有星光穿透。
星际空间中气体与尘埃无处不在，然而星际介质的密度极低，气体平均密度仅约每立方厘米1个原子，星际尘埃更为罕见，平均每万亿个原子才对应1个尘埃粒子，尽管星际介质如此稀疏，但星际空间的尺度浩瀚，足以有效衰减光辐射。
通过光谱分析恒星光线穿越星际气体时产生的吸收线，我们发现星际气体中的元素丰度与太阳、恒星及类木行星等天体基本一致：约90%为原子或分子氢，9%为氦，剩余1%为重元素，但与太阳系或恒星相比，碳、氧、硅、镁、铁等重元素在星际气体中的含量显著偏低，最可能的解释是这些元素大量参与了星际尘埃的形成，从而以更难观测的固态形式存在。
有趣的是，天文学家对星际尘埃颗粒形状的了解反而胜过其成分认知。虽然星际气体中的微小原子基本呈球形，但单个尘埃颗粒明显呈细长棒状，恒星光球层发出的原本是非偏振光。但当光波与细长尘埃颗粒相互作用时，最终抵达地球的光波就呈现出特定偏振（polarized）方向，正是通过检测这种偏振光，天文学家不仅确认了尘埃的细长形态，还发现它们在广袤星际空间中存在定向排列，这种排列和强度仅为地磁场百万分之一的星际磁场起着关键作用。
18.2 发射星云
传统上，天文学家将天空中任何”模糊”的光斑（无论明暗）称为星云，是通过望远镜可辨识、但边界不如恒星或行星清晰的太空区域。现代研究表明，许多（虽非全部）星云实为星际尘埃与气体构成的云团。若云团遮蔽了后方恒星，便呈现为明亮背景上的暗斑，云团被称为暗星云（dark nebula）；若云团内部存在炽热年轻恒星等使其发光的天体，则会形成明亮的发射星云（emission nebula）。
发射星云辉光区域的中心通常存在至少一颗新形成的O型或B型炽热恒星，这些恒星释放的紫外光子会电离周围气体，当电子与原子核重新结合时，会发射可见光使气体产生荧光，发射星云基本都呈红色，是因为丰度最高的氢原子在可见光谱的红光辐射。另一种星云叫反射星云（reflection nebula），反射星云依靠反射附近恒星的光线而发光，它呈现蓝色，因为短波蓝光更易被星际物质散射至地球。
光谱学家采用罗马数字标注原子电离状态：化学符号加”I”表示中性原子，”II”为单电离（缺失1电子），”III”为双电离（缺失2电子）等，由于发射星云主要含电离氢，故常称HII区；以中性氢为主的区域则称HI区。
发射星云的光谱可以和恒星的光谱明显区分，恒星光谱呈现类黑体连续谱与吸收线，叠加星云气体的发射线；而纯星云光谱仅检测到发射线，光谱分析表明，星云的化学组成与恒星及星际介质一致，90%的氢、9%的氦以及1%的重元素。一个典型发射星云粒子密度约为数百粒子/立方厘米，温度约8000K。
早期天文学家研究发射星云光谱时，发现许多谱线无法与地球实验室已知元素对应，催生了”星云素”（nebulium）假说，随着原子物理学的完善，学者意识到这些谱线其实源于熟悉元素（如双电离氧）在极端条件下的电子跃迁，该跃迁的特殊性在于：高能态离子可维持数小时才回落低能态并释放光子，且仅当离子全程不受其他粒子碰撞干扰时，才会完成跃迁。地球实验室因气体密度过高，离子总在发射光子前被碰撞扰动，故无法观测到此谱线，这类谱线因而被称为禁线（“Forbidden” Lines），因地球环境概率极低而不可见，发射星云的低密度特性（粒子碰撞罕见）恰好满足禁线产生条件。
部分星际区域存在比发射星云更稀薄、更炽热的气体，这些超热”气泡”构成的云际介质，可能延伸至星系际空间，其高温可能源自古老超新星爆发的剧烈膨胀。太阳位于直径约100pc的”本地泡”（Local Bubble）内，本地泡包含约20万颗恒星，可能由天蝎-半人马星协的多次超新星爆发塑造。
18.3 暗尘埃云
发射星云和星际气泡只占星际介质的很小一部分，空间中99%的区域都是不含这些天体和恒星的，是寒冷黑暗的，星际物质构成的典型黑暗区域的温度为100K，在这些区域中包含另一种类型的天体：暗尘埃云（dark dust cloud）。暗尘埃云比周围空间温度更低，密度更大，天鹅座L977是一个典型的暗尘埃云区域。
星际暗云中的气体可以吸收来自恒星的辐射，这些吸收线能为我们提供这些黑暗星际介质的相关信息，通过研究这些谱线，在暗云中检测到的元素丰度与其他天体基本一致，因为（我们将在第19章看到）星际云团正是孕育发射星云与恒星的摇篮。
18.4 21厘米辐射
上述观测技术有其局限性，它必须依赖背景辐射源提供可被吸收的光线，为了更全面地探索星际空间，科学家还有另一种方法：利用星际气体自身产生的低能无线电波辐射进行探测。
【自旋】（Spin）：对于一个氢原子，有一个电子绕着质子旋转，电子除了绕着质子旋转，也有绕着自身轴线的旋转运动，称为自旋，质子同样有自旋特性，处于基态的氢原子仅存在两种自旋构型：电子与质子自旋方向相同（自旋轴平行），或自旋方向相反（自旋轴反平行），其中反平行构型的能量略低于平行状态。
宇宙中所有物质都趋向于达到最低能态，星际气体也不例外，因此电子质子自旋相同的氢原子会倾向于变成电子质子自旋相反的氢原子，并且释放出一个波长为21.1cm的光子，位于电磁波谱的无线电波段，科学家将这种氢原子自旋翻转产生的谱线称为21厘米辐射（21-cm radiation），它成为探测宇宙中任何氢原子气体区域的重要工具。由于视线方向上通常存在多个星际气体团块，实际观测到的21厘米谱线呈现锯齿状不规则形态，在强度、宽度和多普勒频移上存在区域差异，通常需要复杂计算机分析进行解构。由于星际原子碰撞持续激发氢原子至高能态，维持两能态原子数平衡，可以确保21厘米辐射持续存在，而不是如想象中最终全部处于低能态。这种特征辐射的波长远大于星际尘埃颗粒的典型尺寸，使得21厘米辐射能毫无散射地抵达地球，这种突破数千秒差距观测限制、且不依赖背景恒星的技术，使其成为天文学中最重要的观测手段之一。
18.5 星际分子
星际空间中有一些区域的气体粒子以分子而不是原子形式存在，该区域的温度低，密度高，被称为分子云（molecular clouds）。
第四章提到过，分子不但能像原子一样通过电子跃迁释放光子产生辐射，还能够通过不同能量状态的旋转和振动产生辐射，只是通过旋转振动产生辐射的能量较小，为无线电波段，分子的辐射在无线电波段对观测十分有利，在高密度和多尘的区域中，更高频率的辐射都会被阻挡。
在绘制分子云的图谱时，尽管氢分子是这些云团的主要成分，但它们无法用于分子云探测，因为氢分子不能吸收和发射无线电波，只能释放短波紫外辐射，21cm辐射探测也只用于原子，不适用于分子，因此天文学家借助其他分子探究这些区域的内部，现在已有包括一氧化碳（CO）、氰化氢（HCN）、氨（NH₃）、水（H₂O）、甲醇（CH₃OH）、甲醛（H₂CO）在内分子被用于探测，当我们观测到这些分子时，即可推断该区域必然同时存在高密度的氢分子、尘埃等重要成分。
星际气体射电图谱与星际尘埃红外图谱显示，分子云并非孤立存在于太空中的独立天体，而是构成横跨160光年、足以孕育百万颗类太阳恒星的巨型分子云复合体（molecular cloud complexes），目前银河系内已发现约一千个此类巨分子云复合体。近年来，天文学家逐渐认识到星际介质处于永恒演变的动态环境中，新生恒星（第19章详述）和超新星（第21章重点）释放的能量，驱动着星际气体产生大尺度湍流运动，在此视角下，我们观测到的低温分子云，不过是混沌星际海洋中因整体气流暂时压缩形成的致密气体暂态岛。
十九、恒星形成
19.1 恒星形成区域
宇宙中不断有新的恒星在诞生，在远超出我们银河系的宇宙众多区域中，都观测到了恒星形成区，大麦哲伦云（Magellanic Clouds）是最壮观的恒星形成区域之一，这个小型伴星系距离地球约17万光年，是拥有惊人数量年轻蓝星的区域，是我们本地宇宙邻居中最大的恒星摇篮。
简单说来，当星际介质（冷暗星云）的一部分开始在其自身引力作用下坍缩时，云团碎片逐渐升温，最终其核心达到足以引发核聚变的高温，此时坍缩停止，一颗恒星就此诞生。坍缩是终止是高温的原子热运动与引力抗衡的结果：炽热气体产生的向外压力与引力向内拉扯达到精确平衡。对还没有演化成恒星的星云来说，要开始坍缩需要大量的原子产生足够的引力来对抗热运动效应，100K的典型低温星云需要10⁵⁷个原子，这个数量非常大，甚至超过构成整个地球原子核的基本粒子总量（10⁵¹个）。
19.2 类太阳恒星的形成
本节讨论像太阳一样质量的恒星的形成过程，当引力打破其与热运动的平衡，一团冷暗的星际云会经历7个阶段不断收缩成一个炽热明亮的恒星。
阶段1：星际云
第一阶段是致密的星际云——暗尘云核心或分子云，这些云团规模极大，有时横跨数十pc（10¹⁴–10¹⁵km），整体温度约10K，密度约为10⁹粒子/立方米，为数千倍太阳质量，主要以冷原子和分子气体形式存在，云中尘埃在收缩时起冷却作用，并对行星形成至关重要，但仅占云团总质量的极小部分。当外部事件使云团压缩突破压力平衡引力的临界点时，就会触发恒星形成。这些事件包括邻近恒星爆炸的激波，或O/B型恒星形成时电离周围物质产生的压力波，亦或是云团的支撑磁场因带电粒子逐渐穿越磁力线而泄漏，导致气体无法承重。一旦坍缩开始，引力不稳定性持续作用将导致物质自然碎裂成越来越小的团块，典型云团可分裂成数十、数百甚至数千碎片，每个碎片都复制母云的收缩行为并加速坍缩，从稳定云团到多个坍缩碎片的整个过程需数百万年。根据碎裂发生的具体条件，星际云可产生数十或数百颗恒星，如今孤立的太阳很可能是从原始系统中逃逸出来的。
阶段2：坍缩中的云团碎片
第二阶段描述的是典型星际云中形成的众多碎片之一所处的物理状态，这个碎片有1至2倍太阳质量，仍比太阳系大100倍左右，其中心密度已达到约10¹²粒子/立方米，由于碎片内物质极其稀薄，能轻易向外辐射能量，使其平均温度与原初云团相差无几，只有在物质层较厚的中心区域，温度才有部分上升（至100K），随着碎片不断收缩，密度增大使辐射更难逃逸，温度上升，向外的压力增大，从而阻止进一步的撕裂。
阶段3：停止分裂
阶段2碎片经历数万年的收缩缩减成了太阳系的大小，碎片核心开始显著升温，核心可达10000K，但外层温度仍无明显上升，密度梯度在此阶段急剧分化：碎片中心密度已达约10¹⁸粒子/立方米，而外层依然低温稀薄，这个云团碎片首次显现出恒星特征，其中心不透明的致密区被称作原恒星（protostar），随着周围持续收缩的碎片物质坠落，原恒星质量不断增长，但由于压力仍无法抗衡引力，其半径持续缩小，阶段3的重要标志是原恒星首次形成可定义的”表面”——光球层。
阶段4：原恒星
随着原恒星演化，其半径持续收缩、密度增大、核心与光球层温度同步上升，碎片形成约10万年后进入阶段4，此时核心温度飙升至约百万K，规模相当于水星轨道，表面温度仅为太阳的一半，但亮度可达太阳数千倍，原恒星内部的能量来源于引力势能。原恒星可以标注在赫罗图的右上位置，恒星的演化路径被称作演化轨迹（evolutionary track），是恒星生命的图形化表征。红色轨迹描绘了星际云碎片自阶段3成为原恒星后的演化路径，该早期演化阶段称为开尔文-亥姆霍兹收缩阶段（Kelvin–Helmholtz contraction phase），在这个过程中，原恒星位于100AU旋转着的原恒星盘（protostellar disk）内。阶段4之后，原恒星的光度降低，温度升高，在赫罗图上往左下移动，该过程的演化轨迹段称为林忠四郎轨迹（Hayashi track），处于林忠四郎轨迹的原恒星在此演化阶段常表现出剧烈的表面活动，产生比太阳风更致密的原恒星风，该阶段也被称为金牛T型阶段（T Tauri phase），得名于首个被观测到处于此演化阶段的原恒星金牛T型星。
阶段5：原恒星演化
在林忠四郎轨迹的阶段5，它的半径收缩至太阳的10倍左右，表面温度约4000K，光度降至太阳的10倍，核心温度达到约500万K，气体已完全电离，演化速度明显放缓，放缓源于热能效应，即使是引力也必须克服巨大阻力才能压缩高温物体。
阶段6：新生恒星
经过约1000万年的演化，原恒星最终在阶段6成为真正的恒星，当这个质量与太阳相当的物体收缩至半径约100万公里时（位于林忠四郎轨迹末端），核心温度已升至1000万K，足以点燃核聚变反应，此时质子开始在核心聚变成氦核，一颗恒星就此诞生，新生恒星的表面温度约4500K，光度约为太阳的三分之二。
阶段7：最终形成主序星
在接下来的约3000万年里，阶段6的恒星会进一步收缩调整，核心密度升至约10^32粒子/立方米，核心温度达到1500万K，表面温度升至6000K，到阶段7时，恒星终于抵达主序星位置，与太阳当前状态相当，此时引力和压力达到完美平衡，核心核能产生速率与表面能量辐射速率完全匹配。
整个演化过程历时约4000-5000万年，虽然对人类而言极其漫长，但这还不到太阳主序星寿命的1%，一旦恒星核心开始氢核聚变并建立”引力向内、压力向外”的平衡状态，它就能稳定燃烧上百亿年，在赫罗图上，恒星的位置（即表面温度与光度）将在未来100亿年间保持几乎不变。
19.3 其他质量的恒星
大于太阳质量的恒星在赫罗图上的演化轨迹会比太阳更高，质量更小的轨迹更低，质量大的演化时间会更短，质量小的演化时间更长，但轨迹的整体运动趋势都是相似的，。当恒星核心开始氢燃烧且各项属性趋于稳定时，即被视为抵达主序星阶段，理论预测的不同质量的恒星诞生时在赫罗图上的位置的连线称为零龄主星序（zero-age main sequence，ZAMS），除了质量，恒星的成分不同也会对光度和温度产生少量影响，使得ZAMS不是一条清晰的线，而是一条宽带。
某些云团碎片因为质量过小永远无法成为恒星，木星就是如此，尽管在引力作用下持续收缩并释放热量，但其质量始终不足以引发核聚变，如果木星或其他类木行星持续吸积太阳星云物质，也可能演化为恒星，但太阳系形成阶段的物质早已在T Tauri阶段的太阳风作用下消散殆尽。理论模型表明，触发核聚变所需的气体云最小质量约为0.08倍太阳质量（80倍木星质量），由于恒星定义要求其核心必须发生核聚变反应，该数值遂成为宇宙中所有恒星的质量下限。这些在开尔文-亥姆霍兹收缩阶段”冻结演化”的碎片，因体积小、亮度低且持续冷却，被统称为褐矮星（brown dwarfs），学界将褐矮星明确定义为质量超过12倍木星的低质量原恒星碎片，更小天体则归类为行星。现有数据表明，银河系星际深处可能潜伏着多达1000亿个寒冷昏暗的亚恒星天体，其数量堪比银河系恒星总数。
19.4 云团碎片和原恒星的观测
人类文明的时间尺度太短，我们无法观测到一个恒星演化的完整周期，但我们可以观测各种恒星演化如今在不同阶段的状态。
<星云收缩的证据>：研究云团收缩与碎裂早期阶段的最佳方式，是观测这些云团内星际分子的射电辐射。以M20发射星云为例，其中年轻的的O型与B型恒星揭示了恒星形成的整体环境，发射星云本质上是恒星诞生的指示器，M20内外星际云揭示了恒星形成的三阶段证据：阶段1云团、致密碎片和原恒星候选体。
<星云碎片的证据>：距离地球约1400光年的猎户座复合体为演化模型的3-5阶段提供了证据，猎户座分子云中存在多个强辐射区，其分子辐射源自云核碎片深处，虽然温度难以精确测定，但学界普遍认为这些高密度区已进入阶段3演化，其强辐射体确已处于原恒星形成的临界状态。
<原恒星的证据>：在搜寻和研究更高级阶段的恒星形成天体时，观测波段从射电转为红外。20世纪70年代，天文学家在猎户座分子云的核心区域发现了一个特别明亮的红外辐射源——贝克林-诺伊格鲍尔天体，亮度约为太阳的一千倍，大多数天文学家认为，这是一个大质量的原恒星，很可能处于或接近第4阶段。一些红外天体的能量来源可能是被周围暗云遮挡的明亮热星，这些恒星非常炽热，会发出大量紫外辐射，这些辐射大部分被周围的尘埃”茧”吸收，被吸收的能量随后以红外辐射的形式重新发射出来，这些明亮的红外源被称为茧状星云（cocoon nebulae）。
<原恒星风>：原恒星通常会产生强烈的原恒星风，与原恒星表面的剧烈活动有关，年轻的原恒星往往被包裹在巨大的原行星盘中，盘内湍流产生的强烈加热作用与原恒星的强大原恒星风共同作用，形成了垂直于盘面方向的双极喷流（bipolar flow），随着原恒星风逐渐瓦解星盘并将其吹散到太空中，外流物质会逐渐扩散，最终当星盘完全消失时，就会从恒星向各个方向均匀地向外流动，这些外流现象可能蕴含巨大能量。猎户座分子云有一颗新生恒星其湍动的星风正扩散到星际介质中，在恒星下方可以看到被称为HH1和HH2的双喷流。
19.5 激波和恒星形成
星际空间中充斥着各种类型的云团、碎片、原恒星、恒星和星云，每种天体又会影响其他类型天体的行为，比如分子云内部或附近存在发射星云很可能会影响整个区域的演化进程，星云内部高温高压会驱动物质形成向外扩张的波阵面，当这些波阵面撞击周围的分子云时，星际气体往往会堆积并受到压缩，这种在太空中快速移动的气体外壳被称为激波（shock wave）。
许多天文学家认为，激波穿过星际物质的过程是触发星系中恒星形成的关键机制，发射星云远非产生星际激波的唯一来源。至少还有四种其他驱动机制：老年恒星以行星状星云形式相对温和的消亡；某些恒星在超新星爆发中更为剧烈的终结；穿过银河系的旋臂波；星系间的相互作用。超新星是迄今为止能量最高、可能也是最有效的物质聚集方式，但相对少见。这些大质量恒星本身可能就诞生于经过的激波，随后又通过其诞生时产生的膨胀星云气体或爆发性死亡产生新的激波，类似于链式反应。
19.6 星团
云团坍缩的最终结果是形成一群恒星，它们都源自同一母云并位于太空的同一区域，这样的恒星集合被称为星团（star cluster）。星团是研究恒星的理想实验室，同一星团中恒星间的唯一差异因素是质量，无需考虑恒星普遍存在的年龄、化学成分和起源地的复杂差异。昴星团（Pleiades）是金牛座（Taurus）中著名的小型星团，这类主要存在于银河系平面的松散不规则星团称为疏散星团（open cluster），通常包含数百至数万颗恒星，直径约几pc，昴星团的恒星在赫罗图上几乎包含主序带上的所有类型的恒星。
质量更小但分布更广的星群称为星协（associations），通常不超过数百颗亮星，但可跨越数十pc，星协多含年轻恒星，富含金牛T型原恒星的称为T星协，而含显著O/B型恒星（如猎户座四边形）的称OB星协，多数星协结构松散，正自由膨胀消散，其与疏散星团的主要区别可能仅在于母云形成恒星的效率差异。
星团中有一种近似呈球状的星团称为球状星团（globular cluster），分布于银河系平面之外，包含数十万至数百万颗恒星，范围约50pc，半人马座ω星团（Omega Centauri）是距离地球5000pc的一个球状星团，其恒星环境与昴星团等疏散星团存在显著差异，球状星团最显著的光谱特征是其缺乏上主序带恒星，缺少的上主序带恒星的演化晚期符合球状星团恒星在赫罗图上的位置，天文学家认为大多数球状星团年龄至少达100亿年，它们承载着银河系已知最古老的恒星。
计算机模拟表明，大质量天体可以通过掠夺原料和破坏环境来抑制后续大质量恒星的形成，这解释了低质量恒星远比高质量恒星更为常见，同时也为褐矮星的存在提供了两种可能的形成途径：要么是原行星盘在形成过程中被破坏，要么是原恒星在获得足够质量前周围气体就被驱散。
恒星团最终会瓦解为独立的恒星，银河系的潮汐引力场会持续剥离星团外围的恒星，而偶尔与巨型分子云的远距离相遇也会加速恒星的流失。多数疏散星团会在数亿年内解体，松散结合的星协可能仅存续数千万年，而某些大质量疏散星团已存在近50亿年，只有当母星团完全消散时，恒星形成过程才真正完成。
二十、恒星演化
20.1 离开主星序
宇宙中数十亿颗恒星为我们提供了恒星演化各阶段的样本，使我们能够在无法看到完整恒星演化过程的情况下了解恒星的演化。
在主序星阶段，恒星核心缓慢将氢聚变为氦，该核聚变过程称为”核心氢燃烧”（core hydrogen burning），天文学术语中的“燃烧”特指核聚变。脱离主序星意味着恒星进入生命倒计时，恒星后期演化形态主要取决于质量：通常低于8倍太阳质量的恒星会平静消亡，而大质量恒星将发生灾难性爆发。
20.2 类太阳恒星的演化
阶段8：亚巨星支演化过程
随着核聚变持续进行，恒星内部氢燃料逐渐耗尽，氦丰度持续增加，氦含量在温度最高的核心中心增长最快，当中心氢耗尽时，核聚变反应减弱，非燃烧的纯氦内核开始形成，失去核聚变支撑的氦核心因气体压力减弱，在引力作用下收缩。氢壳层在超过10^7 K的高温下剧烈燃烧，能量产出速率超过主序星阶段的核心氢燃烧，此阶段恒星亮度反常增加，尽管核心已停止聚变。恒星半径膨胀至约3倍太阳半径，表面温度下降而光度微增，在赫罗图上形成亚巨星支。
阶段9：红巨星支演化过程
脱离主序带的恒星进入非稳定状态：氦核心持续收缩，外围氢壳层加速聚变，氢壳层剧烈燃烧产生的辐射压导致外层大气膨胀，形成半径达100倍太阳尺寸的红巨星，该演化过程约需1亿年完成，期间恒星表面温度保持相对恒定。氦核心仅占恒星总体积的1/1000，密度高达10^8 kg/m³，最外层密度仅10^-3 kg/m³。在赫罗图上呈现近乎垂直的演化轨迹，牧夫座大角星（KIII型红巨星）是该演化阶段的典型代表，太阳将在50亿年后进入此阶段。
阶段10：氦核聚变过程
若红巨星持续处于失衡状态，核心将最终坍缩，外层物质逐渐散逸，质量小于0.25倍太阳的恒星会因此解体（需数千亿年时间），类太阳恒星在脱离主序带数亿年后，核心温度突破1亿K阈值，触发氦聚变。发生三重阿尔法过程（triple-alpha process）：4He+4He→8Be+能量，8Be+4He→12C+能量，该阶段的核心密度约10^8 kg/m³。
氦闪（helium flash）现象：类太阳恒星核心在氦聚变启动时，气体密度达到量子简并态，此时电子遵循泡利不相容原理而非经典物理规律，简并电子压力（electron degeneracy pressure）成为抵抗引力的主要来源（占90%），与常规热压力有本质区别，电子简并压力不随温度变化，导致聚变产热无法通过气体膨胀使热量减少，温度飙升引发指数级反应速率提升，在数小时内释放相当于银河系总亮度的能量，这个过程称为氦闪，能量释放使核心温度突破简并态阈值后，恢复热压力主导状态，重新建立平衡，爆发的过程约10小时，稳定调整期为10万年，后续恒星进入阶段10的水平分支（horizontal branch）阶段，所有恒星在氦闪后都具有大致相同的亮度，因此第10阶段的恒星在赫罗图上往往沿着一条水平线分布。
阶段11：重返巨星分支
随着氦核聚变速率增长，氦核被快速耗尽，并形成碳核，形成了分层结构，由内至外依次为碳核→氦燃烧壳→氢燃烧壳，双层（氢层和氦层）燃烧壳层使质量流失率提高100倍，半径达200-500太阳半径，再次回到巨星分支，为了区分恒星首次和第二次攀升巨星分支的过程，第二次的演化轨迹通常被称为渐近巨星分支（asymptotic-giant branch），这一次，碳核周围的壳层燃烧比之前更加剧烈，恒星的半径和光度甚至超过了首次氦闪时的峰值。
20.3 低质量恒星的消亡
恒星从第10阶段到第11阶段时，外层不断膨胀，但内部碳核持续收缩，太阳质量的恒星无法使其内部达到核心碳进一步核聚变的温度（6亿K），碳核在不断压缩后密度会达到不可压缩的极限（约10¹⁰ kg/m³），核心电子再次简并，收缩停止，温度稳定在约3亿K，碳核与氦层的交界处会产生少量的氧（¹²C + ⁴He → ¹⁶O + 能量）。
第12阶段：行星状星云
步入暮年的第12阶段恒星正面临严峻困境，其内部碳核已停止产能，而外核壳层仍在燃烧氢和氦，氦燃烧壳层因巨大压力和氦核聚变速率对温度的极端敏感性，爆发出一系列剧烈的氦壳层闪焰，导致辐射强度剧烈波动。每次脉动峰值时，表面温度降至电子与原子核复合形成原子的临界点以下，复合过程产生的光子额外推动气体外逃，最终在数百万年内以每秒数十公里的速度将几乎全部包层抛射至太空。当核心耗尽燃料收缩升温时，其紫外辐射电离周围云气，形成壮观的行星状星云（planetary nebula），银河系已知1500余个此类天体（其名称源于18世纪望远镜观测时类似行星圆盘的误解），膨胀的尘埃与冷气体云，范围约太阳系大小，随着中央恒星逐渐冷却暗淡，膨胀的气体云持续扩散，最终融入星际空间，短短数万年后，发光的行星状星云便从视野中消失。
在红巨星生命的最后阶段，核心内未燃烧的氦与碳发生核反应，形成氧，甚至在某些情况下合成更重的元素（如氖和镁），在恒星临终前的剧烈对流作用下，氦、碳、氧及更重的元素从核心深处被“挖掘”至包层。
第13阶段：白矮星
最终，恒星的核心坍缩成一颗致密的白矮星（white dwarf），而抛射出的物质则成为新一代恒星和行星系统的原材料，白矮星直径仅为地球大小，质量为太阳的一半，仅靠残余热能发光，表面呈白炽状态。碳氧白矮星（）是多数低质量恒星演化的终点，氦白矮星（helium white dwarf）由极低质量恒星（<0.25太阳质量）因完全对流未触发氦燃烧形成，氖氧白矮星（neon–oxygen white dwarf）由接近8倍太阳质量的恒星可能通过¹⁶O+⁴He→²⁰Ne反应形成。天狼星B是一颗密度达太阳系物质百万倍的白矮星，质量在白矮星中非常大，为一倍太阳质量。
第14阶段：黑矮星
当孤立恒星演化成白矮星后，其生命历程便告终结，这颗孤独的白矮星将沿赫罗图底部轨迹持续冷却变暗（白→黄→红），最终成为宇宙中冰冷致密的恒星残骸——黑矮星（black dwarf），恒星的最终墓地。尽管热量持续散失，电子简并压仍能抵抗引力压缩，使其保持地球大小直至接近绝对零度，完全冷却需数百亿至数千亿年，目前宇宙年龄尚不足以形成观测到的黑矮星。
理论与现实的对比：
到目前为止展示的所有赫罗图和演化轨迹都是理论构建的，主要基于恒星内部运作的计算机模型。在实际观测中，以距离地球8000pc的球状星团M80为例，观察该星团的赫罗图，理论与观测结果的相似性令人震惊：在演化阶段 7-13 中，每个阶段的恒星数量都与理论模型一致，天文学家之所以对恒星演化理论充满信心，正是因为其预测常常被发现与真实恒星的绘图高度吻合。
不过，M80中的蓝离散星（blue stragglers）似乎与理论相矛盾，它们在许多星团中都有观测到，位于主序带上，但从母星团的年龄来看，它们所处的位置表明它们很久以前就应该已经演化成白矮星了，这其实是由于许多恒星形成过程中会与其他恒星相互作用，而非独立演化，它们与其他恒星产生物质交换或合并造成了这种结果。
20.4 比太阳质量更大的恒星的演化
质量越大的恒星演化时间越短，在主序上待的时间也越短，这是因为高质量和大引力产生了更多的热量，加速了恒星演化的各个阶段。
恒星离开主序的根本原因是核心氢耗尽，因此所有恒星在离开主序后的初期演化本质相同，但此后的演化路径会有差异，在赫罗图上，太阳质量的恒星几乎垂直攀升红巨星分支，而更大质量恒星离开上主序后会在赫罗图上近乎水平移动（随着半径增大和表面温度降低，它们的光度保持大致恒定）。质量超过2.5倍太阳的恒星中，氦燃烧会平稳启动而不会发生氦闪，因为恒星质量越大，其核心在达到氦点火所需的1亿开尔文时密度越低，简并电子对压力的贡献越小，因此质量超过2.5倍太阳时就不会出现前述的不稳定核心条件。4倍太阳质量的红巨星在氦开始聚变成碳时仍保持红巨星状态，不会突然跳向水平分支。小质量恒星永远达不到碳核聚变所需的6亿开尔文，最终成为碳氧白矮星，而大质量恒星（超过8倍太阳质量）不仅能聚变氢和氦，还能持续聚变碳、氧等更重元素，演化成超巨星（supergiant），最终注定以超新星爆发的形式终结生命。
猎户座中的明亮恒星参宿七是主序后蓝超巨星（blue supergiant）的一个典型例子，它的半径约为太阳70倍、总光度超过6万倍太阳亮度，虽然仍接近主序阶段，参宿七（Rigel）的核心可能已经开始将氦聚变成碳。最著名的红超巨星（red supergiant）当属同样位于猎户座的参宿四（Betelgeuse），其可见光亮度约为太阳的10^4倍，天文学家认为参宿四目前正在核心进行氦到碳和氧的聚变，该恒星形成时的质量在12至17倍太阳质量之间。
恒星演化之路的终点取决于引力作用：原恒星和恒星之所以演化，是因为引力总是促使非燃烧的恒星核心收缩升温。这种收缩会持续到被电子简并压力或新一轮核聚变启动所阻止。对于质量更大的恒星，这个过程会重复更多次。我们之前划分”低质量”与”高质量”的8倍太阳质量界限，实际上指的是碳核形成时的质量，由于高光度恒星通常具有强烈恒星风，质量达10-12倍太阳的主序星仍可能避免超新星爆发。
20.5 星团中恒星演化的观测
同一个星团中的恒星形成的时间一样，并有着几乎相同的化学成分，唯一不同的是质量，如今，从零龄主序带开始，天文学家能精确预测新生星团在任意时间点的形态。
赫罗图上星团主序带向巨星分支转折的位置称为主序转折点（main-sequence turnoff），其对应质量称转折质量（turnoff mass）。在观测中赫罗图中有如下演化规律，年轻星团（1000万年）由蓝超巨星主导；中年星团（1亿年）中B型星与红超巨星共现；老年星团（100亿年）中出现太阳质量级主序转折点，白矮星群显现；球状星团（如杜鹃座47（47 Tucanae））年龄测定达100-120亿年，揭示了银河系早期演化。
20.6 双星系统的恒星演化
银河系中大多数恒星都处于双星系统，在双星系统中，对于间距极远的两颗恒星，它们基本独立演化，当间距较近时，一颗恒星的引力会影响另一颗恒星的外层结构，产生与独立演化不同的结果。以大陵五（Algol）为例，质量更大的主序星本应演化更快，但实际却是较小质量的伴星率先进入巨星阶段，表明双星系统的演化机制存在特殊过程。双星系统中每颗恒星都被自身泪滴状的”引力主导区”包围，该区域被称为洛希瓣（Roche lobe），两恒星的洛希瓣在连接线上相交于内拉格朗日点L1，此处引力与系统旋转力达到平衡，当恒星膨胀至充满洛希瓣时，物质会通过L1点流向伴星，这种质量转移机制解释了大陵五系统的异常演化现象。
二十一、恒星爆发
21.1 白矮星的重生
一颗独立的白矮星在之后会慢慢变为一颗黑矮星，但在双星系统中，两颗恒星的距离如果足够近，白矮星的伴星可以通过拉格朗日点给白矮星输送物质，主要是氢和氦，输送的气体在白矮星表面旋转环绕，形成吸积盘（accretion disk），气体在旋转中摩擦，温度不断升高，温度达到107K时会点燃氢，以疯狂的速度聚变成氦，产生爆发，亮度会在短时间内剧增，形成新星（nova，复数novae），而后表层物质冷却并吹入太空，亮度下降，一些新星可以重复这个过程几十甚至几百次。
21.2 大质量恒星的终点
低于8倍太阳质量的恒星不会发生碳核聚变，最终会变为碳氧（或氖氧）白矮星。高于8倍太阳质量的恒星依次会发生氢、氦、碳、氧、氖、镁、硅的聚变，最终聚变成核心的铁，随着内部温度升高，核心不断压缩，每种元素的聚变速度都在剧增，从轻元素到重元素，耗尽的时间也越来越短。（天文学中，比氦重的元素都叫重元素）
在原子核层面，铁是自然界最稳定的元素，恒星内部合成铁之前的聚变都在释放能量，铁核结构极度紧密，铁无论聚变还是裂变（fission）都无法释放能量，随着铁大量积累，能量的产生慢慢停止，高温气体压力与引力的平衡被打破，尽管此时温度已达数十亿K，依然无法抵抗强大的引力，引发灾难性的坍缩。核心温度继续上升，接近100亿K时，单个光子的能量高到足以将铁核分解为质子和中子，在不到1秒的时间里，分解了核聚变1000万年的成果，这个过程称为光致分解（photo disintegration）。光致分解吸收热能导致核心冷却、压力骤降，引力坍缩加速，最终核心仅剩基本粒子（电子、质子、中子、光子），密度持续攀升迫使质子与电子结合形成中子及中微子：质子 + 电子 → 中子 + 中微子，此过程称为核心的中子化（neutronization），产生的中微子几乎不与物质相互作用，即便核心密度超过10¹² kg/m³，它们仍能够携带能量离开核心，进一步削弱核心压力支撑。
坍缩中，不断压缩的核心使中子与中子紧密接触，直到中子产生的强大的抵抗压力足以抵抗坍缩，此时核心密度已达1017 kg/m³甚至1018 kg/m³，坍缩停止，但只持续了1秒，如不断下坠触底反弹的球一般，核心剧烈回弹，产生的高能激波以极高速度扫过恒星，将外层物质全部抛射至太空，恒星以宇宙中已知的最剧烈的能量释放形式爆炸，爆炸恒星在数日内亮度可匹敌其所在星系的整体光度，这种大质量恒星的壮丽终结被称为“核心坍缩型超新星”（core-collapse supernova）。
21.3 超新星
超新星和新星有一些显著的区别：超新星比新星亮一百万倍以上（比太阳亮数十亿倍），一颗恒星可能可以反复成为新星，但只能成为超新星一次。含氢量少的超新星被分类为I型超新星（Type I supernovae），含氢量多的超新星被分类为II型超新星（Type II supernovae），I型超新星的光变曲线与新星类似，II型则有不同（有平台期）。
在白矮星吸积-爆炸反复成为新星的过程中，爆炸抛射的物质可能少于积累的物质，使其质量不断增加，白矮星由电子简并压与引力抗衡，电子简并压存在上限，为1.4倍太阳质量的钱德拉塞卡极限（Chandrasekhar limit），白矮星质量增加到超过该极限时，电子简并压无法抵抗引力坍缩，坍缩后温度骤升达到碳元素全面聚变，引起超新星爆发。另一种可能更常见的场景是双白矮星碰撞合并形成不稳定天体，最终同样引发碳爆炸，这两种都称为碳爆炸型超新星（carbon-detonation supernova）。这解释了I型超新星与II型超新星的本质区别，I型超新星源于几乎不含氢的碳氧白矮星爆炸，II型超新星源于大质量恒星核心坍缩-爆炸。两类超新星爆发率接近。
超新星爆炸本身人类很少观测到，但我们常观测到超新星遗迹（supernova remnants），著名的蟹状星云（Crab Nebula）就是其中之一，中国古代1054年记载其亮度超过满月，这个II型超新星遗迹还在不断膨胀，天文学家推算的爆发时间与中国古代记载的时间完全吻合。
21.4 元素的形成
目前已知有115种元素，其中大部分的氢和氦可以追溯到宇宙最早的时期，其它元素都来自恒星核聚变合成，因此重元素比轻元素在宇宙中稀少得多。前面提到，在恒星演化中，温度达到1000万K时，会发生质子-质子链反应：（⁴He）：4(¹H)→⁴He+2正电子+2中微子+能量，随着He积累且温度超过1亿K时，引发三α反应：3(⁴He)→¹²C+能量，温度达2亿K时，碳氦发生核反应：¹²C+⁴He→¹⁶O+能量，氧氦发生和反应：¹⁶O+⁴He→²⁰Ne+能量，这种通过氦俘获（helium capture）发生的反应比碳碳核反应和氧氧核反应要达到的温度更低，更容易发生，这使得核质量为4（氦）、12（碳）、16（氧）、20（氖）、24（镁）、28（硅）倍数的元素在宇宙丰度图中呈现显著峰值。
当恒星核心出现硅-28时，部分硅-28核会裂变为7个氦-4核，二者聚变产生镍-56：²⁸Si + 7(⁴He) → ⁵⁶Ni + 能量，镍-56不稳定，会迅速衰变为钴-56，最终形成稳定的铁-56核，铁-56是所有原子核中结合能最强的。
铁以上元素（铜、锌、金等）通过中子俘获（neutron capture）而非氦俘获形成，每个中子的俘获过程需要1年，称为慢中子俘获，也叫s过程（s-process，s指slow），慢中子俘获过程：⁵⁶Fe + 中子 → ⁵⁷Fe，⁵⁷Fe + 中子 → ⁵⁸Fe，⁵⁸Fe + 中子 → ⁵⁹Fe，⁵⁹Fe不稳定，一个月后衰变为钴-59，钴-59继续俘获中子形成钴-60，继而衰变为镍-60，铁以上的元素的形成都来源于此过程。
s过程无法合成比铋更重元素，它们是由称为r过程（r-process）的中子俘获过程形成的，该过程发生于大质量恒星死亡时的超新星爆发中。
21.5 恒星演化的循环
因为新恒星是从老恒星散落的物质中诞生，所以新恒星的重元素比老恒星比重要高，使得天文学家可以通过孤立恒星的光谱研究得到其年龄。（恒星光谱显示的是其表层的元素，恒星核聚变在核心，重元素极少会被带到表层，使得恒星核聚变形成的重元素不影响恒星年龄的测定）。
大质量恒星通过电离周围气体和激波传播，影响小质量恒星形成并可能触发新一轮恒星诞生，星团内恒星演化过程中，大质量恒星快速演化并通过超新星爆发将重元素抛洒至星际介质，小质量恒星通过行星状星云释放包层物质，新元素合成与抛射伴随的激波进一步富集并压缩星际介质，促使新一代恒星形成。每代恒星都提升星际云中重元素浓度，使得新生恒星重元素丰度持续增加。
二十二、中子星和黑洞
22.1 中子星
对于I型超新星，爆炸后不会存在任何中心残骸，而对于II型超新星，爆炸后恒星中心可能会有中心残骸。在II型超新星爆发前，大质量恒星坍缩的瞬间，核心的电子与质子剧烈碰撞形成中子和中微子，中微子以近光速离开恒星，加速中子核收缩，超新星爆发后，核心仍然保持完整，形成中子星（neutron star）。
中子星是体积极小，质量极大的天体，直径仅约20km，质量却超过太阳，拥有惊人的密度，平均密度可达10¹⁷至10¹⁸千克/立方米，比白矮星高近十亿倍（普通原子核密度约为3×10¹⁷千克/立方米）。与白矮星中电子简并压力类似，中子星依靠中子简并压力抵抗进一步坍缩，白矮星有固态表面。新生中子星有两大特性：极快自转和超强磁场，它的自转周期可达秒级甚至亚秒级，高速的自转源于角动量守恒定律（原始恒星直径大自转慢，现在直径小转速快）；它之前的核心坍缩过程使原始恒星磁场线被压缩，形成比地球强万亿倍的磁场，理论上随着能量辐射，自转速度会变慢，磁场会减弱。
22.2 脉冲星
脉冲星（pulsars）是能产生脉冲的中子星，所有的脉冲星都是中子星，但中子星不一定是脉冲星，在超新星爆发后中子星刚形成时，它的高速自转和强磁场使其能产生脉冲，随着中子星旋转，其产生的辐射束像旋转的灯塔光束般扫过太空，因此该模型常被称为灯塔模型（lighthouse model）。但随着时间推移，自转速度会减慢，磁场也会减弱，脉冲也逐渐减弱直至停止，此外脉冲辐射束通常只有几度，只有恰好对准地球时才能被观测到。（脉冲星的定义里狭义指被地球观测到的脉冲星，广义的脉冲星指所有年轻且产生辐射束的中子星）。多数脉冲星有着异常高的自转速度，理论认为这源于超新星爆发时物质抛射不对称产生的“反冲效应”。多数脉冲星发射无线电脉冲，但蟹状星云等脉冲星还能在可见光、X射线和伽马射线波段产生脉冲，脉冲星的典型脉冲周期在0.03-0.3秒间。
恒星演化理论表明：（1）所有大质量恒星都以超新星爆发结束生命（2）多数超新星遗留下中子星（少数形成黑洞）（3）所有年轻的中子星都会发射辐射束。
22.3 中子星双星
[X 射线源]：和其他恒星的双星系统一样，中子星也存在部分双星系统，这使得部分中子星的质量能精确测定，所有测量结果都接近太阳质量的1.4倍（即坍缩形成中子星残骸的恒星核心钱德拉塞卡质量）。1970年代末，天文学家在银河系中发现了大量X射线源，其中被称为X射线暴源（X-ray bursters）的星体会通过剧烈爆发释放能量，每次爆发亮度超太阳数千倍，但仅持续数秒。这些X射线源自双星系统中的中子星表面或附近区域，中子星的强大引力从伴星表面剥离物质，并在自身表面形成吸积盘，吸积盘内层区域变得极热，持续释放X射线流，温度升高引发氢核聚变时，产生短暂的X射线爆发。
并非所有下落的物质都能抵达中子星表面，以距地球5000pc的SS 433为例，观测证实部分物质会以极高速度（25%光速）形成双向喷流逃逸系统，喷流物质与星际介质作用时产生射电辐射，银河系中已找到十几个类似特性的微类星体（microquasar）。
[毫秒脉冲星]：1980年代中期，天文学家发现了毫秒脉冲星（millisecond pulsars），这些脉冲星的自转周期仅数毫秒，这是接近中子星在不解体的极限速度下的自转。毫秒脉冲星约三分之二分布在球状星团中，刚经过超新星爆发形成的脉冲星拥有高自转速度，这与球状星团的古老相矛盾，最可能的解释是，中子星通过吸积伴星物质获得角动量加速，这与X射线暴的形成机制相同，许多X射线暴可能正在向毫秒脉冲星演化，现有毫秒脉冲星中不少也仍是持续吸积伴星物质的X射线源。
[脉冲星行星]：1992年，天文学家发现一个毫秒脉冲星存在周期性信号异常，后续的观测发现其存在3颗行星，分别以0.2AU、0.4AU和0.5AU的轨道半径环绕脉冲星，质量范围从月球质量级到地球质量的3倍，这一发现极大拓展了系外行星研究的维度。
22.4 伽马射线暴
伽马射线暴（gamma-ray bursts）是宇宙中最剧烈的能量释放现象之一，其能量能达到超新星量级，并且其源头尺度极小（直径小于300km），理论模型将伽马射线暴描述为相对论性火球（relativistic fireball），一个可能呈喷流形态的超高温气体膨胀区，在伽马波段剧烈辐射（”相对论性”指粒子运动接近光速，需用爱因斯坦相对论描述）。目前存在两种主流能量源模型，第一种是双星系统的终极归宿——致密星并合，双星系统演化出的两颗中子星最终合并并产生剧烈的爆炸。第二种是被称为”极超新星”（hypernova）的模型，大质量恒星经历类似II型超新星的核心坍缩，但核心并未形成中子星而是直接坍缩为黑洞，恒星内部内爆，在黑洞周围形成吸积盘并产生相对论喷流，喷流与恒星抛出的气体壳层剧烈碰撞，产生伽马暴，科学家认为两种模型可能同时存在。
22.5 黑洞
褐矮星、白矮星和黑矮星由电子简并压力抵抗引力，中子星由中子简并压力抵抗引力，中子星的质量上限约为3倍太阳质量（考虑磁性和自转效应的话质量上限会比3倍大些），超过此质量极限时，中子简并压力也无法抵抗引力，核心在引力下坍缩，形成黑洞（black hole）。
[逃逸速度]：逃逸速度与天体质量的平方根成正比，与天体半径的平方根成反比，以地球为例，如果把地球半径压缩至1cm，那么逃逸速度将达到光速，如果半径更小，逃逸速度将超过光速，那么光无法从中逃脱。
[黑洞特性]：黑洞由于光无法逃逸，信息也无法传递出去，在空间中仅留下引力场暴露其已坍缩为点的质量存在，物质落入黑洞后，几乎丢失全部原始信息，外部仅能测量三个物理量：质量，电荷和角动量，仅需这三个参数即可完整描述黑洞的外在表现及其与宇宙的相互作用，本章重点讨论由无旋转中性物质形成的黑洞，这类天体的性质仅由质量唯一确定。
[事件视界]：天体逃逸速度达到光速时的临界半径为史瓦西半径（Schwarzschild radius），该半径与天体质量成正比，地球为1cm，木星为3m，太阳为3km，可记为：史瓦西半径=3km×以太阳质量为单位的物体质量，任何天体被压缩至史瓦西半径后都将称为黑洞。以史瓦西半径为半径的假象球面称为事件视界（event horizon），外部观测者永远无法获知这一边界内部的事件，虽无实体物质，但仍被视为黑洞“表面”。对于中子星，当其质量超过3倍太阳质量时，将自发坍缩突破事件视界，残余物质将持续坍缩至奇点。超新星爆发后若残留物质超过3倍太阳质量，核心将在1秒内坍缩为黑洞，理论预测初始质量超20-25倍太阳的恒星终将经历此命运。
22.6 爱因斯坦相对论
【狭义相对论】（special relativity）：爱因斯坦1905年提出的狭义相对论包含三大核心原理：
（1）光速c是宇宙速度极限，所有惯性观测者测得的光速相同；
（2）不存在绝对参考系，只有观测者之间的相对速度才有意义；
（3）时间与空间构成不可分割的时空统一体，不存在绝对时间。
【等效原理】（equivalence principle）：在太空漂浮的电梯内部的观测者感受到地板对脚部压力时，他无法区分是电梯加速上升还是大质量物体的引力，即无法区分引力场与加速参考系，这一表述被称为等效原理。
【广义相对论】（general relativity）：广义相对论的核心概念是：所有物质都会使其附近的时空发生弯曲，质量越大，时空弯曲越显著。在牛顿观点中，粒子沿弯曲轨迹运动是因为受到引力作用，而在爱因斯坦相对论中，粒子沿弯曲轨迹运动是因为它们在弯曲时空中自由下落。
22.7 黑洞附近的空间旅行
物体在距离黑洞较远距离的轨道运行时，与其在同等质量恒星附近的轨道相同，只有当物体进入事件视界的几个史瓦西半径之内时（对于典型超新星形成的5-10倍太阳质量黑洞，半径约为50-100公里），才会有所不同，并且黑洞是个单向门，只允许物质向内流动，随着黑洞吸积的物质越来越多，其质量和事件视界半径也越来越大。任何坠入黑洞的物质都会受到巨大的潮汐力，并且经历垂直拉伸，水平压缩和高速加速的过程，这些作用会使物质碎片剧烈碰撞摩擦，产生高温辐射，因此尽管黑洞本身没有辐射逃逸，但其周边区域却是能量辐射源。
安全研究黑洞的方式是在其潮汐力影响范围外的轨道进行，10倍太阳质量的黑洞（事件视界半径30km）人类至少在3000km外才相对安全，假设我们有一个坚不可摧并装有精确时钟和已知频率的光源的机器人靠近黑洞，我们在事件视界外安全距离的观测点，随着机器人靠近事件视界，我们观测到其发出的光会越来越红移，直到红移至波长无限长，原始辐射无法被感知，这是广义相对论预言的引力红移（gravitational redshift），引力红移的原理是：根据广义相对论，光子受引力作用，为逃离引力场，光子必须消耗能量（但速度保持光速不变），导致频率降低（波长增长）。靠近黑洞的时钟比我们的时钟走的更慢，越接近视界越慢，到达视界时时钟看似完全停止，如同机器人获得永生，这种时钟变慢现象称为时间膨胀（time dilation），也是广义相对论的预言，本质上与引力红移相关，若将光波波峰间隔作为”滴答”信号，红移导致频率降低即表现为时钟变慢。但对坠入黑洞的机器人而言，光源没有变红，时钟依然精准计时。
大多数天体的引力场都太过微弱，无法产生显著的引力红移效应，但我们仍能测量到这种效应，近地轨道卫星已成功探测到地球微弱引力产生的微小引力红移，太阳光的红移量仅约千分之一纳米，某些白矮星表面比太阳引力强得多，可以产生明显的引力红移，中子星的红移由于环境因素对观测信号的影响，我们难以区分开来。
广义相对论预言，若无其他力抗衡引力，大质量恒星核心残骸将无限坍缩，最终形成密度和引力场均为无限大的奇点（singularity）。奇点并非物理实体，而是理论失效的标志，现有的物理定律无力描述它，奇点是规则崩塌之地，其附近可能发生超现实现象：平行宇宙通道，时间旅行，新物质态诞生等，设想虽未被证实，却已动摇因果律与能量守恒等物理基石。
22.8 黑洞的观测证据
探测黑洞有效的方式是观察黑洞对其他天体的影响，银河系中存在大量仅可见单颗恒星的双星系统，部分系统不可见伴星质量达数个太阳质量且发射强烈X射线，很有可能是黑洞，天鹅座X-1（Cygnus X-1）是最受关注的黑洞候选体，X射线辐射区很可能源自可见恒星物质向黑洞螺旋下落时形成的吸积盘，当气体流向黑洞时被加热至极高温，在坠入事件视界前释放出观测到的X射线。
目前已知的黑洞主要分为两类：（1）恒星级黑洞（stellar black hole）：太阳质量量级，源于恒星演化末期坍缩；（2）超大质量黑洞（supermassive black holes）：百万至数十亿倍太阳质量，存在于星系中心。