如何观察和研究恒星在不同阶段的变化

在被烧毁恒星（白矮星）核心的周围，有一圈碎片和灰尘颗粒围绕着。当太阳一般大小的恒星在膨胀之后、最终变为白矮星的时候，它们的行星很可能会被剔除系统，甚至直接被消耗掉。科学家们经过探索研究发现，如果一颗行星具有坚固且质量较低的双重属性。那么，当它母星死亡的时候，也仍然可能在其母星所产生的拖船浪潮中幸免于难。

恒星转换过程中的行为

研究团队概述了一个计算程序，是一个近球形实体行星和白矮星之间的潮汐力，也是一个像太阳一样的较小恒星所留下的尸体类型。科学家们正是将两个点之间的引力强度差异，作为了两者之间的潮汐力，比如恒星和行星，或地球和月球。随着潮汐力的变化（因为其中一个的引力影响发生变化而变化），有的同伴会变得好起来，但另外的同伴却会分崩离析。

在现阶段，科学家们所发现的系外行星都在围绕一颗将要成为白矮星的恒星旋转。在恒星转换的过程中，为了更清晰的研究清楚一些过程行为，研究团队也插入了各种各样的可能因素，比如：他们的剪切粘度（他们对变形或流动的抵抗力）和旋转速率，而后发现：更大的岩石系外行星会，比更多较小的世界更加容易发生分裂。

太空中的恒星并不是永恒不变

天空中的恒星看着似乎永恒不变，但最终它们中的大部分都将变成白矮星，这是中低质量恒星最后一次可观测的进化阶段，这些昏暗的恒星尸体点缀着银河系。主要序列恒星，包括太阳，都是由重力吸引的尘埃和气体云形成。恒星如何在其一生中进化，取决于它们的质量。许多白矮星逐渐消失，最终散发出所有的能量，并成为所谓的黑矮星，但那些与伴星共享系统的恒星则可能遭遇不同的命运。

如果白矮星是二元系统的一部分，它可能会将物质从其伴星中拉到其表面上。增加白矮星的质量，可以得到一些有趣的结果。在其他时候，白矮星可以从它的同伴身上拉出足够的物质，在新星中爆炸，这是一个相对小得多的爆炸。由于白矮星保持完整，它可以在达到临界点时多次重复该过程，一次又一次地将生命吸收回垂死的恒星中。

低粘度的行星可能无法存活

行星的特性并不都是完全一样的，比如冰冷的多层土星土卫二，便是具有低粘度的行星，它很可能无法向固体行星那样存活。当主序星在接近死亡的时候，它首先会发生膨胀，而后成为了一颗红巨星。科学家们表示，正是这样的转变，导致了行星系统的剧烈变化。

与此同时，即使像双星系统这样，没有任何恒星同伴，也会因为扩张所引发的不稳定引力而产生重大影响，破坏、逃避以及一般的轨道重拍，科学家们都有研究到。在新系统的重要参与者中，恒星混乱所演变成白矮星的系外行星也是其中重要一员，它们可以通过自身的力量影响周围那些较小的物体。

主序星存在时间的最大决定因素

对于主序星而言，它存在的时间长短主要取决于其大小，具有较高质量的恒星更有可能拥有更多的材料。当材料够多，所引起的重力便足够大，由此所引起的核心温度也会更高，这会让它燃烧的速度更快。太阳需要在主序上花费的时间大约是100亿年，而一颗巨大的恒星则会持续大约2000万年。

一颗太阳一半大小的红矮星，大约可以持续80到100个十亿年，这甚至比宇宙的年龄还要长13.8个十亿多年。主序星团将氢原子融合在其核心中形成氦原子，在宇宙中，大约90％的恒星都是主序星，这其中包括太阳。这些恒星的范围可以是太阳质量的十分之一到的200多倍。

当主序星达到生命周期的终点

所有主序星都会在最后燃烧完自己核心中的氢，然后到达生命的终点，这个时候，便是它离开主序列的时候。那些比太阳质量的四分之一更小的恒星，则会直接坍缩成白矮星。虽然白矮星不会再在自己的中心燃烧并融合，但却会依旧散发热量。这些白矮星最终会冷却为黑矮星（理论上的存在对象），宇宙无法让第一批白矮星充分冷却并进行过渡。

那些较大的恒星会从它们的外层向内坍塌，直至最终温度足够高，并将氦气融合为碳。这些融合的压力便提供了向外的推力，使得恒星的尺寸比膨胀之前大几倍，并形成了所谓的红巨星，这颗新星会比在其在主序星阶段时看上去更暗。

如果该原始恒星的质量是太阳的10倍，那么，经过大约一亿年的燃烧会形成致密的白矮星。更大质量的恒星在猛烈的超新星死亡中爆炸，喷出核心中形成的较重元素会穿过银河系。剩下的核心可以形成中子星，这种紧凑的物体可以有多种形式。红矮星的长寿命意味着，即使在大爆炸后不久形成的那些仍然存在。然而，这些低质量的物体最终会燃烧它们的氢气。它们也会因此变得越来越暗淡，最终这盏恒星之灯会熄灭。

为何行星在白矮星阶段存活很重要

科学家表示，行星在白矮星阶段的存活非常重要，可观察的碎屑或废物、小行星都可引入到白矮星的大气层之中，即使该行星本身就位于狭窄的可探测范围之外，也不会例外。换而言之，当太阳到达生命的尽头，地球这相对较小的身体会在月球的命运中发挥重要作用。

当太阳向红色巨人扩张，月球的地球轨道也会随之扭曲，然后导致了月球分裂这一天的到来。月球通过了所谓的罗氏极限，并和地球之间的距离越来越近，它无法再依靠自身的引力将自己固定在一起，最终碎裂成了一团碎片。这样的研究对人类社会和宇宙探索而言，可能对从地面设施或通过太空探测卫星、全球宇宙测量天体物理干涉仪、大型天气测量望远镜等太空船发现的行星调查有很大帮助。

天文学是最伟大的科学之一，其主题是我们生活的整个宇宙。而变星则是这些科学难题中的一部分，其主要研究在可测量的时间尺度上，恒星发生变化的过程和原因，甚至是关于星系和整个宇宙的更多知识。宇宙中的恒星似乎永远闪耀着恒定的光芒，但这些恒星的实际亮度却各不相同。从我们在站在地球上的角度来看，恒星看上去的亮度，主要取决于它与地球之间的距离、以及其实际的内在亮度。物理系统的行为会受到宇宙所引导的潜在物理定律的控制，研究变星可以告诉得出这些恒星的物理特性，并且通过扩展，知晓所有恒星的物理特性。因此，而研究变星也是学习恒星的最好方法之一。那么，到底什么样的恒星是变星？在恒星进化的过程中，变星又会如何告诉我们、关于我们生活的这个真实的宇宙。

变星种类涉及恒星演化的各阶段

科学家们对地外天体的探索，包括了其他行星、太阳、其他恒星、星系，甚至整个宇宙。并在这个过程中通过望远镜来观测宇宙以收集数据。虽然我们无法“试验”宇宙，并触摸恒星和星系，但我们仍然可以通过观察来了解宇宙。而其中的很大一部分都是植根于另一门基础科学，它叫做物理科学，因为管理物理世界的物理定律，也同样适用于宇宙中的任何地方。而关于变星的研究，就是天文学中的一个特定领域，科学家们可以通过测量它们随着时间的推移，所表现的亮度变化来研究，并在被称为光线曲线的图形上绘制变化。

什么是变星？当恒星的行为之一亮度发生变化，便会被称为变星，并且这些亮度的变化是由该恒星内部、表面或周围发生的事情所引起的。变星的种类繁多，会涉及到恒星演化的各个阶段。比如，在二元系统中，当一颗恒星从另一颗恒星的前面通过，便会阻挡了我们眼睛看到的一些光线；又或是二进制中的一颗星，可能会从它的伴侣那里吸收物质，从而变得更加明亮；而恒星本身也可能会有所不同，比如我们的太阳，在它的表明有时还有耀斑或黑子；它们甚至可能因为自己本身而变化，因为它们的表面可能像气球一样反复膨胀和放气，而表面区域或温度的变化，都会使它们的光度发生改变。

通过变星可研究恒星的物理特性

变星反映了一个重要事实，即宇宙总处在不断地变化之中，宇宙很大、恒星和星系距离很远，而它们在时间尺度上发生的变化，又远远超过我们所能看到的。在人的一生中，天空中的大多数物体似乎根本没有变化，包括恒星、星云和星系。但变星却可以在我们能够观察到的时间尺度上发生变化，研究人员已经发现，恒星在时间尺度上从几毫秒到几百年不等。它们中的每一个都可以通过其变化，告诉我们一些关于自身的信息，这些变星所提供的信息，使我们能够更好地理解宇宙中更大的图景。在天文学中有一个关键概念，那就是恒星会随着时间的推移而变化。

虽然科学家们无法观察到长时间尺度的恒星演化，但我们又是如何知道它的发生？有许多证据可以表明我们目前对恒星演化的理解，其中一个是对核物理的理解，这个理论阐释了为什么恒星会发光，以及恒星有大量、但有限的燃料来源可产生热量；而另一个证据，则是对恒星星团的观测研究，恒星群在同一时间和地点诞生，以及星团的性质取决于它们的年龄。实际上，变星往往提供了研究单个恒星物理特性的最佳方法，它们的变化将它们变成了恒星物理学的“实验室”，而关于恒星物理性质的证据，也来自变星的研究，每当有人观察变星时，他们就会收集恒星表现的证据。

研究人员可以建立为什么恒星变化的假设，然后用收集到的所有数据来测试这些假设，每一个证据都提供了不同的测试，每个测试都允许将之前的假设进行改进，并更准确地描述恒星变化的原因。当我们能够充分了解个体恒星，我们就可以开始学习变星的类别。最终，通过整合所有模型和不同类型恒星的描述，了解所有其他的恒星，无论其是否发生变化，都可以更好地了解恒星是什么、以及它们的进化过程。

恒星的诞生之极端而年轻的变星

当我们在一年的最初几个月仰望夜空时，可以看到天空中的两个巨大的星座，它们是金牛座和猎户座，这些地区也是我们在天空中可以看到的一些最年轻的恒星家园，同时也是一些重要变星的家园，而这些变量的存在有助于讲述恒星诞生的故事。年轻的变星首先被称为猎户座变量或星云变量，它们在猎户座或其他类似的气体星云中大量出现，而这些星云变量中最著名的一类是TTauri星。这些恒星看似与“正常”恒星相似，但却存在一些重要的差异。比如，它们变化很大，且亮度不如我们预期；它们通常位于气态星云附近，显示出由高度激发的稀薄气体原子所发出的光。直到20世纪60年代早期，TTauri恒星才最终被确认是新生恒星，并仍然从星云中微弱地吸收灰尘和气体。

它们的变化，可能是由许多因素造成的，但其中很大一部分都与吸积有关。气体正在从恒星的重力势阱中加速下降，气体在获得一些动能同时也在被加热。这些催化气体具有一定的摩擦力，当它向原恒星落下时，气体内的粘度使其升温。随着它越来越热，便会发出越来越多的光，直到它撞击表面，在那里发出更多的光。在恒星演化中，存在一些年轻变量的变异极端，比如UX Orionis star（FUOR）和FU Orionis star（UXORs）。

虽然它们的年龄密切相关，但变异性却不同：FUOR会经历非常大且非常长期的亮度变化，有时亮度甚至会超过100倍，然后又在数年、或数十年内再次褪色，这种快速增长导致更多的能量释放，如光和热；而UXORs是在非常短的时间尺度上变化的恒星，并且，它是变得更暗而不是更亮。其中盘是块状而不是均匀的，这些团块中的一些足够大，可以在它们运行时部分遮挡原恒星，导致恒星在我们眼前变暗。

科学家们是怎么知道这一切的？当TTauri、FU和UX Ori被发现时，研究人员并不知道它们仍然是处于形成过程中的原恒星。但随着时间的推移，通过观察和测试各种理论来逐渐了解这一点。天文学家最初的观察结果就是“它们是可变的”， 因为大多数恒星并没有明显变化，所以这本身就很有意思，于是，天文学家开始追踪它们的亮度。然后，他们发现了其他行为相似的恒星，并认识到这些恒星经常存在于气态星云中或附近，并且该星云正是恒星诞生的地方，最终才使科学家们得出结论，这些恒星还很年轻，并仍处于形成过程中。在光学光和其他波长下的更多观察中，表明了它们的可变性，源自它们形成的一些相同过程。当物质聚集在恒星上、或者当周围物质的圆盘发生变化时，恒星会变亮。它们可以在恒星周围形成尘埃云时、或者当这些云绕着轨道运行并暂时遮挡它们时褪色。我们现在已经很好地理解了恒星是如何形成的（来自坍塌的气体和尘埃云）以及它需要多长时间（几百万年），也知道了这个过程是渐进的，即使在原恒星开始像恒星一样闪耀之后，它仍会持续一段时间，更明白了这种吸积过程本身就会导致变异。

主序星中可能存在的两种可变性

一旦一个年轻的原恒星从诞生它的云中吸收了所有气体和尘埃，它可能将足够大，可以在其核心中燃烧氢气，并作为恒星发光，然后变成一个年龄为零的主序星。而它主序寿命的开始是氢燃烧首先开始的点，并由其核心中氢耗尽的点而确定结束，比如，我们的太阳将在主序上花费90亿到100亿年。当其核心缓慢地将氢原子转化为氦原子，并在此过程中释放能量，组成的变化会引起结构随着时间而变化，这也改变了恒星的温度和它发出的光量。当然，虽然这个过程中发生了许多重要的变化，但在他们生命的这段时间内，主序上的恒星变化依然很小。因为在恒星内部发生了很多复杂的事情，科学家们做了一些非常类似于研究恒星内部的东西，并把这称为星体论。

在恒星中，声波和重力波可以通过内部传播，其方式类似于地震的振动穿过地球。对于某些恒星，我们可以通过观察恒星表面不同部分的亮度，如何随时间变化来测量这些振动，而恒星表面的振动被称为脉动，我们可以测量这些脉动的特性来说明恒星内部的条件。在许多恒星中，包括我们自己的太阳，也同时发生了许多不同的振动，每个振动频率被称为脉动模式，阳也许是最重要的脉动变量，其脉动的研究称为日震学。虽然，太阳的脉动微弱，肉眼无法看到，但通过研究表明，在任何给定的时间内，太阳内都存在数千种脉动模式。我们对恒星生命的了解大多来自于对太阳变化的研究，但它无法告诉我们关于所有恒星的一切，因为它只是一颗恒星，一颗有特定质量和年龄的恒星。如果我们想以这种方式了解其他恒星，那么必须寻找其他恒星的脉动。近年来，科学家们也开始对其他“太阳能”恒星进行精确的光度测量，希望能够更多地了解类似于太阳的恒星，当然，它们必须处于生命的不同阶段。

主序星中还可能存在另一种可变性，我们也在太阳上看到这种可变性。如果你曾经看过太阳的照片，或者通过太阳滤镜看过它，你可能已经注意到它表面有许多黑点。而这些斑点就是太阳黑子，它们是由太阳上的强磁场引起的，这些磁场会干扰太阳内部到地面的热传递，还可以阻挡气体的运动（对流），这意味着太阳内的能量不会轻易地流出。当发生这种情况时，被太阳表面上方气体运动阻挡的地方开始冷却，因此我们的眼睛看起来会更暗，我们看到了太阳黑子。这个过程可能发生在任何一颗恒星上，而在一些恒星，尤其是非常年轻的恒星，它们的“星斑”的出现和消失所导致得亮度是很大的，如果恒星旋转、并且在恒星的几个旋转周期内存活，这些变化甚至可以是周期性的。

处于主序星后期的某些变星类型

主序星的末端被定义为恒星核心中，所有氢被转换成“氦”的点，恒星核心中的核反应也随之暂时停止。由于这些核反应提供的热量和压力，阻止了恒星的外层抵抗重力，导致了恒星必须重新调整自己以进行补偿。该过程会在恒星内部和外部引起许多复杂的物理变化，并且，恒星的外观也会在此期间发生明显的改变。这颗恒星将成为一颗红巨星，扩大直径、增加光度和冷却温度。由于这些变化需要数百万年，所以它们对我们来说并不明显。但是当恒星经历这些变化时，它们可能成为真正的变星，或者，如果它们目前是可变的，那么变化可能会改变甚至完全停止。

那么，处于主序后期的某些类型的变星是什么？科学家们在HR图（赫罗图）的某些部分发现了许多变星，其中一个叫做不稳定条，它在HR图中从右上角到左下角。当恒星位于不稳定条带内时，它可能开始脉动，在所有恒星中，如果它们变得更热或更冷，恒星内的某些层对辐射会变得更加不透明。当发生这种情况时，来自恒星内部的能量可能会被困在该层中，从而增加其温度和压力。如果该层位于恒星内恰好相同的深度，则该层可以像活塞一样，以周期性的方式上下驱动恒星的外层。基于恒星建模可知，恒星可以在生命的某些部分位于这条带内，这取决于它们的大小。

造父变星最重要的一点，则是它们完成一个脉动周期所需的时间、且与恒星的亮度或绝对亮度成正比。我们可以测量恒星的周期知道它的光度，这被称为周期，即光度或PL关系。为什么PL关系很重要？恒星的表观亮度、距离和绝对亮度之间也存在简单的关系。如果我们可以测量造父变星的表观亮度，然后通过测量周期来确定其绝对亮度，那么我们将知道到造父变星的距离。我们可以使用造父变星来测量银河系内星团的距离，甚至测量到其他星系的距离，它为我们提供了校准宇宙大小测量的最佳方法之一。当然，许多类型的恒星都可以产生脉动，但并非所有类型的恒星都具有明确的周期，并且不稳定条带外的大多数恒星都不是强大的常规脉动器。一些红巨星是脉动变量，但没有非常严格的周期，并且没有大的振幅。事实上，科学家们需要更灵敏的设备来测量它们的脉动。

已知最早期的变星类之一AGB

如果有足够的时间，所有的恒星最终都会耗尽自身的燃料，也是宇宙中绝大多数恒星都将经历的一个生命阶段。当它们膨胀到巨大的尺寸，甚至比地球和火星的轨道更大，并成为他们附近最明亮的恒星。而这些恒星被称为渐近的巨型分支，或AGB恒星。该阶段可以被认为是恒星演化的最后阶段，因内部深层热核反应产生的能量而闪耀，一颗恒星可能花费不到一百万年的时间，就可以从红巨星分支的末端发展到AGB的末端。这是人类时间尺度上的很长一段时间，但在一颗恒星的生命中却非常短暂！除此之外，AGB上发生的一些变化不是发生在百万年的时间尺度上，而是发生在几个世纪或几十年！

AGB恒星偶尔会发生被称为热脉冲的事件，其中核心周围的“氦层”突然经历热核燃烧，导致恒星的结构、光度和温度都发生较大变化。这些事件被科学家们称为热脉冲，并且预计它们会通过恒星演化的理论模型，出现在所有AGB恒星中，它们与恒星演化中的其他时间尺度相比发生得非常快，并且我们已经看到一些这些变化发生在极少数恒星中。AGB是已知最著名和最早期的变星类之一，而在在AGB之后，一颗恒星的寿命即将结束。随着恒星的老化和更多的核心转化为更重的元素，如氦、碳和氧。其气体变得如此致密、原子如此高度压缩，以至于它们像正常物质一样停止，这意味着单个原子的电子场不能像通常那样使它们保持分离。当这种情况发生时，气体的行为从根本上改变，并遵循退化的状态方程。通过膨胀或增加压力作为理想气体，气体不再能够快速响应加热，因此允许恒星保持其热核燃烧的关键因素之一便是停止工作。

一颗核心处于这种状态的恒星注定要在宇宙非常快地死亡，而这颗核心非常密集、非常小，且温度很高，它被称为白矮星。如果一颗恒星在这种状态下具有核心，它将很快开始从其外层吹走物质，直到最终白矮星核心被暴露出来，也就是那颗恒星的剩余部分。对于碰巧一颗恒星在这个过程中的探索者来说，发生这种情况的过程是非常引人注目。随着物质从恒星流入太空，它在自然界中变得更加弥散，同时还会被恒星内部的热恒星点燃，形成我们所看到的行星状星云。我们从生命末端附近的变星中学到的关键内容之一，就是恒星如何开始将它们的一些物质返回到它们周围的空间，而这种被抛弃的恒星物质将在以后，构成气体云和新一代恒星的星系中的尘埃。古老恒星所散落的一些物质，将被再循环到新一代恒星中，因此，了解恒星的演化，也会告诉我们星系本身是如何演变的。