恒星的结构和演变
恒星的诞生
恒星是由星际物质构成的，早在17世纪，牛顿就提出了散布于空间中的弥漫物质可以在引力作用下凝聚为太阳和恒星的设想。经过天文学家的努力，这一设想已经逐步发展成为一个相当成熟的理论。观测表明，星际空间存在着许多由气体和尘埃组成的巨大分子云。
1969年加拿大天体物理学家理查森·B·拉森在他的加州理工学院写出了星际物质转变成恒星的过程。
拉森设想有一团球状星云的质量和太阳的质量正好相等。他用了一种在当时条件下尽可能最合理地反映一团气体坍缩的计算过程探索了它的变化，他的研究起点不是星际物质，而是密度已经增大的一个云团，相当于大规模坍缩物质中的一粒碎屑。因此，可以说这种云团的密度早已超过了星际物质：每立方厘米已达6万个氢原子。拉森初始云团的直径大致为其后将由这团物质形成的太阳半径的500万倍。接下来的过程是发生在一段天文学上来说极短暂的时间中，也就是50万年内。
这团气体最初是透光的：每粒尘埃不断发出光和热，这种辐射一点也不受周围气体的牵制，而是畅行无阻地传到外空。这种透光的初始模型也就决定了气体球团今后的演变。气体以自由落体的方式落到中心去，于是物质在中心区积聚起来。
本来质量均匀分布的一团物质，这时变成越往里密度越大的气体球。这样一来，中心附近的重力加速度越来越大，内部区域物质的运动速度的增长表现得最为突出。开始时几乎所有的氢都结合成氢分子：一对对氢原子彼此结成分子。最初气体的温度很低，总也不见升高，这是因为它仍然太稀薄，一切辐射都能往外穿透，而浓缩着的气体受到的加热作用并不明显。要经过几十万年后，中心区的密度才会大到使那里的气体对于辐射变得不透明，而在此以前的辐射一直在消耗热量。这么一来，气体球内部的一个小核心就要升温。后者的直径只有那个始终充满向中心下落物质的原气体球的1／250。随着温度的上升，压力也就变大，终于使坍缩过程停了下来。这下特密中心区的半径和木星轨道半径差不多，而它所含的质量只及整个坍缩过程中涉及的全部物质的0．5％。物质不断落到内部小核心上，它所带来的能量在物质撞到核心上的时候又成为辐射而放出。同时核心在缩小，并变得越来越热。
这种过程一直要进行下去，直到温度达到大约2000℃为止。这时氢分子开始分解，重新变成原子。这种变化对核心的影响很大。于是，核心再度收缩，到收缩时释放出能量把全部的氢都重新变为原子。这样，新产生的核心只比今天的太阳稍大一点。不断向中心跌下的全部外围物质最终都要落到这个核心上，一颗质量和太阳一样的恒星就要由此形成。在往后的演变中，起主导作用的实际上只有这个核心了。
比如猎户座的发光星云。在一个直径大约为15光年的空间范围里所包含的是浓缩的星际气体，那里的物质密度达每立方厘米1万个氢原子。虽然对星际物质来说这是非常高的密度，但猎户星云中的气体比地球上所能制造的最好真空还要稀薄得多。发光气体的总质量估计为太阳的700倍。星云中的气体是受到一批蓝色高光度星的激发而发光的。可以肯定的是，猎户星云中有诞生才100万年的恒星。这个星云中所找到的浓缩区使我们可以推断，这些区域目前还在生产恒星。
因为这样的核心是逐渐转变为恒星的，人们称之为“原恒星”。它的辐射消耗主要由下落到它上面的物质的能量来补充。密度和温度升高，原子丢失它们的外层电子，人们称它们为电离原子。由于落下的气体和尘埃形成了厚厚的外壳包围了它，使它的可见光不能穿透出来，人们从外面还看不到它的内幕。原恒星从内部照亮外壳。要到越来越多的下落物质都已经和核心联成一体时，外壳才会变成透光，星体就以可见光突然涌现出来。其余的云团物质不断向它下落，它的密度增大，因而内部温度也往上升，直至中心温度达到1000万开而开始氢聚变，到了这个时候，原来那个质量和太阳相等的坍缩云团就变成了一颗完全正常的主序星：原始太阳，一颗恒星由此诞生了。
恒星的演化
1926年，爱丁顿指出，任何恒星内部一定非常热。因为恒星的巨大质量，其引力非常强大。如果这颗恒星要不坍缩，就必须有一个相等的内部压力与这种巨大的引力相平衡，我们知道我们最熟悉的恒星是太阳。与大多数恒星一样，太阳看上去是不变化的。然而事实并非如此。实际上太阳一直在与毁灭它的力做不停的斗争。所有恒星都是些靠引力维持在一起的气体球。如果惟一起作用的力只有引力，那么恒星会因自身巨大的重量很快坍缩，要不了几小时便会消亡。没有发生这种情况的原因在于向内的引力被恒星内部压缩气体产生的向外的巨大压力所平衡了。
20世纪50年代中期，佛莱德·霍伊尔，威廉。福勒和伯比奇夫妇首先研究了恒星的爆发理论。
他们认为，气体压力与温度之间存在着一个简单的关系：一定体积的气体在受热时，压力以正比关系随温度而上升；反之，温度下降时压力也下降。恒星内部压力极大的原因在于温度高。这种热量是由核反应产生的。恒星的质量越大，平衡引力所需要的中心温度也就越高。为了维持这种高温，质量越大的恒星必须越快地燃烧，从而放出更多的能量，因此一定比质量小的恒星更亮。
在恒星的大半生中，氢聚变成氦是为恒星提供能源的主要反应，这种反应要求很高的温度来克服作用于核之间的电斥力。聚变能可以使恒星维持几十亿年，不过燃料迟早会越来越少，从而使恒星反应堆开始萎缩。发生这种情况时压力支撑台已岌岌可危，恒星在这场与引力的长期斗争中开始溃退。从本质上讲恒星已是在苟延残喘，只是通过调整它的核燃料储备来推迟引力坍缩的发生。但是，从恒星表面流出并进入太空深处的能量在加速恒星死亡。
依靠氢的燃烧估计太阳可以存活100亿年左右。今天，太阳的年龄约为50亿年，它消耗了一半左右的核燃料储备。今天我们完全不必惊慌失措。恒星消耗燃料的速度极大程度上来自于它的质量。大质量恒星核燃料的消耗要比小质量的恒星快得多，这是毫无疑问的，因为大质量恒星既大又亮，因而辐射掉的能量也就越多。超额的重量把其他压得很密，温度又高，从而加快了和周边的反应速度。例如，10个太阳的恒星在1千万年这么短的时间内就会把它的大部分氢消耗殆尽。
大多数恒星最初主要由氢来组成。氢“燃烧”使质子聚变为氦核，后者由两个质子和两个中子组成。氢“燃烧”是最为有效的能源，但却不是惟一的核能源。如果核心温度足够高，氦核可以聚变成碳，并通过进一步的聚变生成氧、氖以及其他一些元素。一颗大质量恒星可以产生必要的内部温度——可达10亿度以上，从而使上面的一系列核反应得以进行。但随着每一种新元素的慢慢出现产能率下降。核燃料消耗得越来越快，恒星的组成开始逐月变化，然后逐日变化，最后每小时都在变化。它的内部就像一个洋葱，越往里走，每一层的化学元素以越来越疯狂的速度依次合成。从外部看来，恒星像气球那样膨胀，体积变得十分巨大，甚至比整个太阳系还大。这时天文学家称之为红巨星。
这条核燃烧链终于终止于铁元素，因为铁有特别稳定的核结构。合成比铁更重的元素的核聚变实际上要消耗能量而不是释放能量。因此，当恒星合成了一个铁核，它的末日便来临了。恒星中心区一旦不能再产生热能，引力必然会占上风。恒星摇摇晃晃地行走在灾变不稳定的边缘，最后终究跌进它自己的引力深渊之中。
这就是恒星内部所发生的事，而且进行得很快。由于恒星的铁核不可能通过核燃烧产生热量，因而也就无法支撑它自身的重量，它便在引力作用下剧烈压缩，甚至把原子都碾得粉碎。最后，恒星核区达到原子的密度，这时一枚顶针的体积便可容纳近1万亿吨的物质。在这一阶段，恒星的典型直径为200千米，而核物质的坚硬性将引起恒星核区的反弹。由于引力的吸引作用极强，这种反弹力所经历的时间只有几毫秒。当这场戏剧性事件在恒星中心区展现之际，外围各层恒星物质在一场突发性的灾变中朝核区坍缩。数以万亿吨计的物质以每秒几万千米的速度向内暴缩，与正在反弹着的比金刚石更坚硬的致密恒星核区相遭遇，发生极为强烈的碰撞，同时穿过恒星向外发出巨大的激波。
同激波一起产生的还有巨大的中微子脉冲。这些中微子是恒星在最后核裂变期间从它的内区突然释放出来的。在这次核裂变中，恒星内原子的电子和质子被紧紧地积压在一起而形成了中子，恒星核区实际上成了一个巨大的中子球。激波和中微子两者一起携带着巨额能量穿过恒星外部各层向外传递。被压缩了的物质的密度非常高，即使是极其微小的中微子也得费尽周折才能冲开一条出路。激波和中微子携带的能量有许多为恒星外层所吸收，结果导致恒星外层发生爆炸。接着是一场核浩劫，其剧烈程度是无法想象的。在几天时间内恒星增亮至太阳光的100亿倍，不过在经过几个星期后又逐渐暗淡下去。
在像银河系这样的典型星系中，平均每百年出现2～3颗超新星，历史上天文学家对此已有记载，并深感惊讶。其中最著名的一个由中国和阿拉伯观测家于1054年在巨蟹座中发现的。今天，这颗已遭毁灭的恒星看上去就像一团很不规则的膨胀气体云，称为蟹状星云。
在研究恒星演化方面取得的另一个进展：
来自对球状星团中恒星的分析：一个星团中的恒星距离我们都差不多同样远，所以它们的视星等和它们的绝对星等成正比。
因此，只要知道它们的星等，就可以绘制出这些恒星的赫一罗图。结果发现，较冷的恒星在主星序中，而较热的恒星似乎有离开主星序的倾向。它们依照燃烧速率的高低及老化的快慢，遵循着一条确定的曲线，显示出演化的各个阶段：首先走向红巨星，然后折返回来，再次穿过主星序，最后向下走向白矮星。
根据这一发现，再加上某些理论方面的考虑，霍伊耳绘制出了一幅恒星演化过程的详细图画。根据霍伊耳的观点，演化的早期，一颗恒星的大小或温度变化很小（我们的太阳现在正处在这种状态，并将维持很长的时间）。因为恒星在其炽热的内部将氢转变为氦，所以在恒星的中心氦积累得越来越多。当这个氦核达到一定的大小，恒星的大小和温度开始发生剧烈变化，体积急剧膨胀，表面外引力降低。也就是说，离开主星序朝红巨星的方向运动。恒星质量越大，到达这个转折点就越快。在球状星团中，质量较大的恒星已经沿着这一途径走过了不同的演化阶段。
膨胀后的红巨星虽然温度较低，但因表面积比较庞大，所以释放出比较多的热量。在遥远的未来，当太阳离开主星序时，或在那之前，它可能会热得使地球上的生命无法忍受。不过，这将是几十亿年以后的事了。
可是，氦核到底是如何膨胀成为红巨星的呢？霍伊耳认为，氦核本身收缩，结果温度升高，使氦原子核聚合成碳，从而释放出更多的能量。这种反应的确是可以发生的。这是一种非常罕见而几乎不可能发生的反应。但是红巨星中氦原子的数量十分庞大，所以发生的这类聚合反应足以提供其所必需的能量。
霍伊耳进一步指出，新的碳核继续变热，从而开始形成像氧和氖一类的更复杂的原子。在发生这一过程时，恒星正在收缩并再次变热，朝主星序返回。此时恒星开始变为多层，就像洋葱头一样。它有一个由氧和氖构成的核，核外面是一层碳，再外面是一层氦，而整个恒星由一层尚未转变的氢包围着。
然而，与消耗氢的漫长岁月比较起来，恒星消耗其他燃料的时间就如同速滑雪橇一样飞驰而过。它的寿命维持不了多久，因为氦聚变等所释放的能量只有氢聚变的1／20而已。在一个比较短的时间内，保持恒星膨胀状态所需要的抗拒比自身引力场强大引力的能量变得不足，从而使恒星更加快地收缩。它不仅收缩到正常恒星的大小，而且进一步收缩到白矮星的大小。
在收缩当中，恒星的最外层会被留在原处，或被收缩而产生的热喷开。于是白矮星被包围在膨胀的气体层当中。当我们用望远镜观测时，边缘的地方看上去最厚，因此气体最多。这种白矮星好像是被“烟圈”环绕着。因为它们周围的烟圈好像是看得见的行星轨道，所以把它们叫做行星状星云。最后，烟圈不断膨胀而变得很薄，再也看不到了，我们看到的像天狼B星一类的白矮星周围就没有任何星云状物质的迹象。
白矮星就是这样比较平静地形成的；而这种比较平静的“死云”正是像我们的太阳一类恒星和比较小的恒星未来的命运。而且，如果没有意外干扰的话，白矮星会无限延长寿命，在此期间，它们会慢慢冷却，直到最后再也没有足够的热度发光为止。
另一方面，如果白矮星像天狼B星或南河B星那样是双星系统中的一颗，而另一颗是主星序的星，而且非常接近白矮星，那么将会有一些令人兴奋的时刻。主星序星在自己的演化过程中膨胀时，它的一些物质在白矮星强大引力场的吸引下，可能会向外漂移而进入白矮星的轨道。在偶尔的情况下，有些轨道物质会旋落在白矮星的表面，在那里受到引力压缩而引起聚变，从而放出爆发性的能量。如果有一块特别大的物质落到白矮星的表面，则放射出的能量可能大到地球上都可以看到，于是天文学家便记录下有一颗新星出现。当然，这种事会一再发生，而“再发新星”确实是存在的。
但是这些不是超新星。超新星是从哪里来的呢？为了回答这个问题，我们必须从比我们的太阳大得多的恒星谈起。这些巨大的恒星相当稀少（在各类天体中，大质量恒星的数目比小恒星的少），30颗恒星中大概只有1颗比太阳质量大。即使如此，我们的银河系大约也有70亿颗恒星。