第三节 恒星的一生
1、燃烧前的准备工作
如同星云一样，恒星不管怎么分类，都拥有一些共同的基本特征，比如年龄、成分、直径、磁场、自转、温度和空间分布等等。
在讲到恒星的元素成分时，我们知道每个恒星形成时大约都是70%的氢和28%的氦，以及少量重元素。重元素可以推断恒星年龄，可以判断是否有行星系统。目前，被测量过的恒星中含铁量最低的是矮星HE1327-2326，铁的比率只有太阳的20万分之一，另一颗有行星的武仙座14含铁量则几乎是太阳的三倍。
这些轻重元素都来自恒星的热核反应——恒星它本身就是一个太空中的核电站，而且恒星这个天上核电站的运作原理有着坚实的理论基础，也已经有了很多这方面的研究著作，至少现在还无法想象出其他方式，能让恒星产生发光发热数十亿年的能量，能量它又不可以凭空出现，除了相信能量来自于恒星内部的热核反应之外，我们别无其他选择。
关于恒星中的热核反应理论有着很长的自身演化过程，还有着物理学上的一步步繁琐推算，我们没有必要去一一细究，只用把科学家们的研究成果讲出来即可，这个研究成果证明在恒星内部的热核反应有两种主要的流程，一种是质子链，一种是碳循环。
简单来说，来自于宇宙诞生时的大爆炸，只能形成大量的氢和氦，以至于第一代恒星只能依靠质子链方式的核反应而发光发热；当恒星内部形成碳元素后或者死亡爆发入太空构成新的恒星后，就依靠碳循环和质子链两种核反应的同时进行来维持光和热。
先说说质子链是什么意思。
1920年，英国剑桥大学天文学家艾丁顿认为氢的聚变可以在第一代恒星以及其后质量较小的恒星中发生，其原理是：大爆炸制造了很多自由质子，2个质子相撞会因为核力（强相互作用）发生反应，变成包含1个质子和1个中子的氘核（重氢）；氘核再撞上1个质子，会聚成一个由2个质子和1个中子组成的氦原子（这个氦还不是真正的氦，而是氦的同位素氦三）。等到2个氦三的原子核发生相撞后，就最终聚合成一个氦核，并同时放出2个质子以及巨大能量，可以看出，在这个质子链中总共是4个质子聚合成1个氦核，而这一过程中释放出的核能量足以维持恒星的生命。
图：质子-质子链
碳循环理论就稍微复杂一点。
美国科学家汉斯·贝特在1938年和德国的冯·魏茨泽克一起找到了被称为“碳循环”的氢聚合为氦的过程，并因此获得了1967年的诺贝尔物理学奖。这个过程是目前恒星中的主要核反应形式，准确的说应该叫做碳氮氧循环。
碳循环理论有些拗口，大致意思是说：当恒星内部存在稳定碳核后（无需区分是核合成的还是上代恒星爆发出来的），稳定碳核里就有12个重粒子（6个质子6个中子），它和一个质子发生碰撞后，碳核将变成13个重粒子组成的氮同位素，这种放射性同位素经过一定时间会放出轻粒子，衰变成另外一种碳的同位素，这个碳的同位素再撞上一个质子使本身的重粒子数目继续增加，变成氮同位素，接下来的第三个质子加入碰撞使新生成的氮同位素重子数增加到15成为氧同位素，氧同位素会衰变回氮核，最后再撞上第四个质子后恢复成为一个稳定的碳核，并同时生成一个稳定的氦核。
碳氮氧循环示意图
可以看出，碳循环和质子链一样，其本质都是4个质子（氢核）逐步聚合成一个氦核（2质子2中子）的反应过程，但是不管那种核反应，碳循环或者质子链又或者两者并存，在核反应的同时，都有一部分质量转化成恒星那庞大无比、熊熊燃烧的能量。
碳循环要求有一定数量的碳或氮存在，它们在一定程度上起着保护壳的作用，使氢原子在里面经过一段时间变成氦原子。今天，天体物理学家可以借助于光谱测量来确定恒星内部物质是否已经参与过碳循环，而且还可以确定温度是多少。
那么，稳定的碳核在恒心内部可以大量形成吗？
美国的埃德温·萨尔彼得解释指出：只要有3个氦核碰撞在一起就能够聚合成碳核，但是要想使3个氦核同时碰撞，这是很不可能的，只有两个氦核先碰撞形成质量数为8的铍核，在它极其短暂尚未衰变的时间里又和第三个氦核相碰撞，则会生成正常稳定的碳。以恒星的庞大体积来看，发生这种转化的几率还是相当大的，释放出的能量足以给恒星继续加热。
当温度继续升高时，碳核又以完全不同的方式转变成为其他重元素，如镁、钠、氖和氧，氧原子又可以聚合生成硫和磷，如此下去，一步步向前形成更重的原子核。
是不是所有的化学元素最终都是在恒星内部由氢和氦聚合成的？
这就引出了我们以下的章节，让我们可以顺着原子核的不断聚变，深入一个又一个的恒星历史阶段。
2、原恒星：恰到好处的碰撞
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