2．2 恒星的起源与演化
现代天文学的多数假设支持，恒星最初由弥漫稀薄的气体和尘埃（星云）经过凝聚、加热过程而形成，可区分为以下四个阶段。
（1）幼年期
原始星云的一部分开始进入收缩过程，推测与涡旋运动有关，很可能受到相邻超新星爆发所产生冲击波的启动。涡旋体系中心部分处于引力收缩状态，随着势能转变为热能，使温度上升。在温度还不足以启动热核反应情况下，这种收缩的气体团不发射可见光，称为原恒星（protostar）。当原恒星开始不再收缩时，核心部分氢开始点燃，出现“氢闪”，标志进入了青少年期。
以中等大小的恒星（太阳）为例，此阶段约经历5000万年。质量很大的原恒星由于有较强的引力场，只需要50万年。质量只有太阳1/5的原恒星，估计寿命可达6亿年。
（2）青壮年期
原恒星核部温度上升到不小于7×106K条件下，核部氢燃烧引起的热核反应开始启动，就标志着一颗恒星正式产生。由于恒星内部排斥力与自身吸引力处于基本平衡状态，进入了相对稳定的漫长演化时期。目前银河系中90％的恒星都属此演化阶段。
丹麦天文学家赫茨普龙（E．Hertgsprung）和美国天文学家罗素（H．N．Russell）分别统计了恒星的光度（反映恒星质量）和颜色（反映表面温度），用纵横坐标绘图时发现大部分恒星落在一条连续带上，其余的星（红巨星、白矮星等）则形成独立的小群（图2-6）。这种图后来就称为赫罗图（H-R diagram），图中90％恒星集中出现的连续条带代表相对稳定的主要演化序列，称为主星序（main sequence）或主序带，处于主序带内的恒星，就称为主序星（main saquence star）。
太阳作为主序星的寿命可达100亿年，现在虽“年及半百”，仍属壮年期。质量大于太阳20倍的恒星，处于主星序阶段的寿命只有1000万年。
（3）晚年期
主序星演化后期，当恒星中心10％氢燃料消耗殆尽时，标志着主星序阶段的结束。恒星核部再次在引力下收缩，恒星中心密度加大，温度再次升高；同时促使恒星外壳体积膨胀，密度变稀，成为表面温度很低但光度很大的红巨星或超巨星。
在红巨星阶段，恒星内部的排斥与吸引、膨胀与收缩循环往复，中心部分的温度逐步上升，出现了不同元素的热核反应。温度不低于108K时，发生3个氦核聚变为1个碳核，可经历数百万年；温度不低于6×108K时，发生2个碳核聚变为氧核，只能持续1～3万年；温度不低于109K时，发生氧核聚变为硅核；温度不低于3×109～4×109K时硅核聚变为铁核。巨大恒星内部的热核反应向着重元素形成的方向发展，证明宇宙中各种元素及其同位素并非由大爆炸单一过程一次产生，而是在恒星演化的热核核聚变过程中逐步合成的。
这种元素起源与恒星演化同步的元素合成理论，最早由布尔比吉夫妇（E．M．Burbidge和G．R．Burbidge），佛罗（W．A．Fowler）和霍伊尔（F．Hoyle）于1957年提出，简称为B2FH理论。由于得到原子核物理学、天体物理学和宇宙化学的有力支持，已经成为共识。
50亿年后太阳也将变成红巨星，其直径将扩展为现在的250倍。在扩张过程中，它的辐射热量将使地球上的任何生物都无法生存，这是真正的地球末日来临之时（图2-7）。届时地球上如果还有智慧生命存在，寻求可持续发展的唯一出路只能是，向太阳系以外的类地行星中去寻觅和重建家园。
（4）衰亡期
恒星中心热核反应一旦出现铁元素，就进入了恒星演化的老年期。铁核的热核反应不能释放能量，反而需要吸收大量能量，迫使恒星内核向中心猛烈塌缩，同时释放出惊人的能量，导致恒星外壳发生爆炸，并使光度瞬间剧增万倍至上亿倍，这就是著名的超新星爆发现象。当超新星“昙花一现”之后，原有的恒星顷刻塌缩为体积小而密度极高的致密星（恒星的残骸）和爆发出去的星云物质（新恒星形成的物质基础），完成了银河系内空间物质-能量交换过程的一次循环。
恒星演化最后阶段的致密星包括白矮星（黑矮星）、中子星和黑洞三种不同类型的归宿，它们的形成与母体恒星的质量大小有关。
质量中等的恒星（小于1.4个太阳质量）经历超新星爆发后，恒星残骸的密度达到1.75×105g/cm3（相当太阳密度的12.5万倍，由异常致密的原子核和电子组成），表面温度升高至8000K，发出白光，称为自矮星。在银河系内，白矮星占可见恒星数量的3％。白矮星内部的核能已经枯竭，只能靠辐射热量发光，由于随着温度降低辐射热能速度相应变慢，也可有几十亿年寿命。一旦白矮星的热能耗尽，不再辐射可见光，称为黑矮星。黑矮星的最终归宿是继续冷却到与宇宙空间温度（3K）平衡为止，可视作一颗恒星经历了演化全过程后在宇宙中残留下来的一块天界墓石。质量更大的恒星经历超新星爆发后残存的质量如达到太阳质量的1.5～2倍，在暴缩情况下形成快速自转的中子星。直径一般仅10km，但密度达1014～1015g/cm3，主要由异常致密的中子组成。中子星具有很强的磁场，并因自转而辐射具精确周期的脉冲式无线电波。中子星的辐射强度大于白矮星，所以寿命小于10亿年。
超新星爆发后如果残骸质量超过太阳质量的2～3倍，即使到了中子星阶段也会继续塌缩至高于原子核的密度（相当于1cm半径球体内集中地球全部质量）。在这种超强引力场下，被吸入的任何物质和光线运动速度超过了光速。产生的效果是任何物体一旦达到这个速度，对远离引力中心的观察者来说就在视野中消失了；此外所有物质和光线只能被吸入，而无法逃逸出去，就形成了黑洞（图2-8）。黑洞是广义相对论在20世纪早期预言的暗天体和引力场中的一个奇点，这里密度和时空曲率都是无穷大。
由此可见，银河系中的恒星演化虽然都经历4个阶段，但大小质量不同，演化速度各异，最后的消亡途径也不尽一致。然而同样呈现出天地万物生生不息，生灭转化，永无止境的特点。超新星爆发的意义正如康德所言：“这个大自然的火凤凰之所以自焚，就是为了要从它的灰烬中恢复青春，得到重生。”在银河系内恒星演化的上述背景下，太阳这颗中等大小的普通恒星如何发展成为一个具有复杂行星系统的太阳系？银河系及河外星系的亿万颗恒星中是否也有类似太阳系的结构？人类寻找地外文明的努力倒底有什么意义？将在下节中介绍。
2．3 太阳系形成假说
（1）星云说的提出与发展
自从德国古典哲学家康德（I．Kant，1755）首创太阳系起源的星云说以来，迄今国内外提出的各种学说多达50多种，但从学术思想体系和立论依据方面基本上可归纳为三种类型。
①灾变说——行星物质是某种重大突发事件从太阳中分离出来，例如另一颗恒星走近或擦过太阳，或由于太阳自身爆发，分出的太阳物质后来形成行星。
②俘获说——太阳从恒星际空间俘获物质，形成原行星云，再演变为行星。
③共同形成说——太阳系的所有天体都由同一个原始星云形成，星云中心部分形成太阳，外围部分形成行星等天体。
18世纪康德与法国数学家、天文学家拉普拉斯（P．S．Laplace，1796）各自独立提出的星云假说，都设想太阳系由同一片“原始星云”演变而成。但面临的最大困难是无法解释太阳系内部质量和角动量分配的矛盾（太阳占总质量的99.85％，但其角动量仅占总角动量的0.6％）。星云说面临的尴尬导致20世纪初多种灾变说的兴起，但灾变说也遇到许多与观测事实不符的矛盾（恒星间的接近或相撞概率极少，约3000万亿年发生1次，银河系年龄仅150亿年左右），到20世纪40年代渐趋衰落。因此，20世纪后期以各种新星云假说的复兴为特征。例如英国天文学家霍伊尔（F．Hoyle，1960～1972）提出原始星云（低温慢转）在引力收缩中转速加快，分别脱出行星圆盘和卫星圆盘，最终形成了太阳系。在热核反应启动后的太阳升温过程中，电磁辐射产生磁力矩，实现了角动量从太阳向行星的转移，从而克服了传统星云说的致命弱点。
我国著名天文学家戴文赛等（1978）提出的新星云说，从天体观测新资料出发，论述周密细致，对太阳系的起源、主要特征以及运动规律的规则性和不规则性作了比较全面、系统的阐述，在理论上作出了重要贡献。