第三节 恒星在主星序阶段的演化
恒星的核能源
白天的日光，夜晚的星光，是人类有史以来和人们有生以来最早看到的自然光。这种包括太阳在内的恒星发出的光，同火山光、雷电闪光以及燃烧木材、煤、石油和天然气等所产生的光相比，在本质上没有什么差别，都是落在可见光波段的电磁波，也可说都是处在相应能量范围内的光子。但是，恒星发光的原因却与众不同，直到20世纪初期还是一个不解之谜。
从星图观测的历史记录可知，恒星作为一种光源是长期不会熄灭的（当然极其个别的“新星”除外），特别是处在赫罗图主星序上的恒星，它们的光度应长期保持基本稳定，否则就不可能看到天上有那么多主序星，主星序也不可能只呈现窄条带形。太阳作为一个主序星，它的光度至少在距今二三十亿年内没有很大的变化，这从所记录的大冰期与温暖期交替出现的地球历史中也得到了证明。那么，主序星发光的能量是从哪里来的？为什么如此巨大而又经久不衰？地球上任何可燃物质所储存的能量都远比不上恒星所储存的能量，即使整个地球是一个大煤球，那它也燃烧不了多少年就会化成灰烬，根本不可能维持几千万年乃至几十亿年。
促使恒星长期发光的能源看来是一种地球上不曾自然出现的新能源，天文学家和物理学家为此作过各种各样的推测。有的学者提出了太阳辐射来源于流星不断向日面坠落的假说，这个假说虽然符合“向火炉不断添加燃料”的直觉，但简单的计算就表明，这种来源不可能提供足够的能量以解释观测到的太阳光度。有的学者试图用缓慢收缩过程所释放的引力能来说明太阳的长期辐射。尽管在恒星的一生中，特别是在恒星的早期和晚期，恒星的引力势能转变为热能和辐射能的情况是时有发生的；但要用引力势能等效于太阳在大约50亿年内所释放的辐射能则是远远不够的。何况作为主序星的太阳，它的半径大小几乎未变，并没有收缩到今非昔比的地步。在20世纪初发现了原子核的放射性后，有的学者甚至认为，合适的太阳能源“不是别的，正是放射性”。原子的放射过程虽然是一种涉及原子核的新过程，但它是一种自发过程，与外界条件完全无关，因而作为一种能源不能进行自我调节，当然也就解释不了主序星光度基本稳定的观测事实。何况太阳内部所含有的重元素杂质很少，地面实验中易于测到的那种放射现象很难在太阳上发生。
正当恒星能源探索进入“山穷水尽疑无路”的时候，著名英国天文学家爱丁顿相继著文（1920年）和出书（1926年），以《恒星内部结构》为题，发表了有关恒星核能源的新见解。爱丁顿从恒星的氢含量很丰富这一基本观测事实出发，根据爱因斯坦相对论所导出的质能相关原理（E=mc2），坚信每4个氢原子聚变为一个氦原子时所亏损的质量（m）会变成巨大的能量（E），以维持像太阳这样的恒星稳定辐射数十亿年以上。爱丁顿把恒星看作平衡状态下的气体球，并根据气体压力与引力相抗衡的具体情况，估计出恒星中心区域的温度可达到4000万度。他相信在这样的温度下，恒星内部的氢是可以聚变为氦的。
遗憾的是，当时的物理学家们却认为，在恒星内部原子核是不可能发生聚变反应的。因为在4000万度的内部温度下原子的运动速度不过1000km/s；以这个速度运动的两个质子虽然可以靠得很近，但在它们到达发生聚变的距离之前，就会被强大的电荷排斥力推开。何况要得到一个氦核，就必须使4个质子和两个电子同时在一个地方相遇而不分开，这更是不可能的。他们认为，只有当温度达到几百亿度，使粒子以极快的速度飞行，这时才可能发生氢核聚变反应。
幸好当时也是量子力学兴起的时期。与经典物理学的观点不同，现代量子理论认为，微观粒子的物理量是按几率分布的，在一定温度下的粒子运动速度当然也不例外。在4000万度下粒子的运动速度取1000km/s的几率最大，但也不能排除粒子以更高或更低的速度运动，虽然几率很小。量子力学成功地解释了化学元素自然衰变的放射性。常见的镭原子核是由88个质子和138个中子组成的，是强大的核力使它们紧密地结合在一起。按照经典物理学的观点，如果不施加一个克服核力的更大的力，镭核是决不可能分裂的。而事实上，经过一定时间后，一个镭核会自然放出由两个中子和两个质子组成的氦核，从而使自己变成一个质最较小的新原子核，而这正是粒子的能量是按几率分布的生动表现。虽然一个镭核需要等待1000年以上才会分离出一个氦核，但这终究是可能发生的事实。一位年轻的原苏联学者盖莫夫由此认为，假如粒子能够由内向外离开原子核，那么粒子也应该能够由外向内进入原子核；尽管在能量较低的情况下，发生这类过程的几率很小，但毕竟是可能的。这样，相信在恒星内部是可以发生核反应的学者日益增多。但是，究竟是发生哪种核反应？直到10年以后人们才找到具体答案。这个答案首先由美国的汉斯·贝特和德国的冯·魏茨泽克在1938年分别找到的，即通过“质子-质子反应”和“碳氮循环”，恒星中的氢是可以聚变为氦的，而且这类反应确实能补偿恒星的能量消耗。