星空的每日皮肤是这样上新的……

撰文 / 袁懋（中国科学院家天文台）

我们时常沉醉于大自然各种绚丽的色彩，蓝天白云、红霞赤日、七色彩虹……其实，天空中最大的调色盘，是浩瀚无垠的宇宙。它可以调出万千色彩，涂抹在各色星辰上，点撒在每处角落中。同时，宇宙也是最深邃的老师，它用这些颜色诉说着天体万物演化的故事。那么，宇宙中的恒星、亚恒星（质量小于恒星的天体）、星云等天体的颜色是如何产生的呢？不同颜色的天体背后又有着哪些物理知识呢？

宇宙中颠倒规则的冷暖色系‍

恒星颜色不同的原理。光子的波长由低到高时，颜色逐渐由“冷”到“暖”

在日常生活中，我们将红橙黄一类的可见光归为暖色系，将青蓝紫一类的可见光归为冷色系。然而，在宇宙中，温度偏高的恒星呈现的是冷色系的蓝、白色，温度偏低的恒星呈现的则是暖色系的橙、红色。这是为什么呢？

天体在温度、亮度上的分布。可以看到天体的颜色和其温度、大小有着对应关系(0开尔文相当于-273.15摄氏度)

恒星表面发光的部分主要由氢组成，引力压缩使得恒星表面的氢不断升温升压，在高温高压的环境下，氢开始发生核聚变，产生巨大热量。氢原子外的电子在获得热量后运动发生改变。在这个过程中，电子会把获得的热能变成光子释放出去。无数的氢原子不断辐射出各种光子，于是就产生了我们看到的星光。

量子力学告诉我们，光子能量越高，则波长越短。因此，在高温恒星表面，释放出的光子能量多，波长短，颜色就偏冷色系；反之，低温恒星表面，释放出的光子能量低，波长长，颜色更偏暖色系。‍

天体的色彩“身份证”

除了温度外，宇宙中天体的颜色往往反映了天体自身的许多属性，如年龄、大小等。我们会发现蓝白星多是巨星，而橙、红星多是个头较小的矮星。为什么温度低的恒星大多体积偏小而温度高的恒星则体积较大呢？接下来，让我们一起看看这些天体的色彩“身份证”上都记录着哪些信息吧。

褐矮星

——“发育不良”的亚恒星‍

褐矮星

恒星诞生于大片分子组成的气体云。大团气体经过引力牵引，聚集成球体，然后在引力的作用下不断向内挤压、升温，最后达到核聚变的“点火”临界值，一颗恒星“新生儿”成功诞生。

褐矮星是这批“新生儿”中的例外，它是一颗演化失败的亚恒星，我们称之为矮星。演化失败的最直接原因是诞生初期的气体云不够多，聚集在一起的氢气压力不足以把它们挤压到核聚变临界点。虽然没有成功进行核聚变，但在引力挤压过程中，其内部仍产生了热量，其表面有效温度在200～300摄氏度，辐射出来的光子能量较低，波长较长，因此褐矮星整体呈现出暗褐色或棕色。

蓝巨星

——大块头有大能量‍

恒星形成之前的气体云团块有大有小，当部分气体云十分庞大时，它有可能就会孕育出一颗块头很大的恒星。这种恒星质量通常是太阳的数倍甚至几十倍。

由于大块头恒星内含有的物质更多，在引力作用下向内的压力就越大，由此产生的热能就越高。这就意味着，大块头恒星的表面温度会更高，可达到数万摄氏度，远高于太阳。这种高温的恒星，发出的光子能量更大，偏向蓝光。因此，这种大块头恒星被称为蓝巨星，更稀有的超大恒星我们称之为蓝超巨星。‍

红巨星

——迟暮的老年恒星‍

科学家根据太阳的质量和演化现状，计算出未来50亿年后，太阳也会成为一颗老年的红巨星(1AU表示地球到太阳的距离，约为15亿千米)（图片来源/维基百科）

宇宙万物没有永恒，恒星一样有年龄和寿命，这就意味着恒星也会有“年老体衰”的一天。当一颗恒星步入晚年时，它会逐步演化到另一个阶段——红巨星阶段。

当恒星内部的氢经过漫长的核聚变后会逐渐枯竭，内部在引力的作用下会进一步塌陷。这种向内塌陷的挤压过程会产生更高的热量。而内部物质塌陷的同时，外层剩余的氢会填补塌陷空间。这时，内部升高的热量传导给外层掉下来的氢，导致外层氢聚变的能量急剧升高，从而使外层向外膨胀。虽然外层热量短暂升高，但由于表面积扩大的速度更快，因此整个表面的有效温度相较原先的温度反而有所降低。此时，一颗体积急剧膨胀，表面温度较低，呈橘红色的红巨星便形成了。红巨星的形成是恒星内部开始萎缩导致的，这个阶段也标志着恒星步入了晚年。

超新星爆发

——宇宙中绚烂的“焰火”‍

(左)超新星爆发时的概念图（图片来源/美国国家航空航天局)

(右)超新星遗迹一蟹状星云（图片来源/哈勃太空望远镜）

步入晚年的恒星，内核的燃烧剧烈而短暂，因此，红巨星会在很短的时间内演化完毕，进入生命的尾声。而年迈的恒星在死亡之前，还会以一场绚烂的“焰火”作为谢幕，告别自己“光彩夺目”的一生。这就是一颗恒星“临终”前留给宇宙的最后独白——超新星爆发。

进入红巨星阶段后的恒星，内部核聚变会愈发剧烈，各种原子的聚变相继发生，直至最后无物可燃，只剩下铁核（恒星的核心是铁原子的内核球）。此时的恒星再也没有向外辐射热量来对抗引力的能力了，整个恒星外层的物质瞬间以极高的速度掉入核心，并产生反弹激波，导致整个恒星发生不可逆转的大爆发。内核外所有物质在数小时内全部喷发而出，犹如一场壮丽无比的“焰火”表演，它产生的光亮甚至可以照亮整个星系。

白矮星

——宇宙中致密的“残骸”‍

哈勃望远镜拍摄到的普通恒星天狼星a以及一颗白矮星一天狼星b

超新星爆发是恒星“临终”时内核球外部物质的爆燃，但它的内核球作为“临终”的“残骸”，将会保留下来并在超新星爆发时演化成其他天体——白矮星或者黑洞。太阳在未来就有可能剩下一颗白矮星“残骸”。

由于是由恒星的内核球演化而来，因此，白矮星是极为致密的天体。其大小一般只有行星大小，但密度却是一般恒星的百万倍。

绚烂的星空仿佛打翻了的调色盘，天体们闪耀着各色光芒，也传递着自身演化的身份信息。

本文来自《知识就是力量》杂志，作者袁懋，原标题《星光调色盘》，有删改，转载请注明来源