恒星的质量和寿命有什么关系？为什么说太阳的寿命有一百亿年？

质量如何影响恒星的寿命

我们知道恒星的能量之源来自于核融合反应，在恒星的核心区，较轻的元素通过核聚变反应生成较重的元素，并释放出大量的能量，由此产生的辐射压用来抵挡外层物质的坍缩。同样，恒星内部核融合反应的动力也是源自于恒星自身的质量，因为要想引发核聚变反应，恒星内部必须要达到极端的高温高压环境，使粒子有更近的距离以及更高的能量来打破库伦斥力，因此当恒星的质量越大时，由于自身引力的增加，恒星内部的压力与温度也会越高，更多的粒子会发生核融合反应，从而使恒星核心区更快的消耗自身的物质，最终导致恒星自身的演化进程加快。

说到这里，也许有人会产生这样的疑问，既然恒星的质量增加了，那么相应的核聚变原料也会增加，为什么寿命还会变短呢？首先来说，恒星更大的质量会加快恒星内部的核融合速率；其次，对于恒星而言其核聚变仅在满足条件的核心区发生，而且恒星也并非是将所有的物质“烧”完才会结束一生，以我们的太阳为例，科学家估计当太阳“烧”完自身质量的十分之一后将进入下一个演化阶段。

在恒星核心区物质补充机制上，质量较大的恒星很难通过对流效应将外部的物质补充到核心区，而一些质量较小的恒星反而有利于这一点，使更多的物质输送到核心区进行聚变，因此质量较小的恒星发光发热的时间也就更长。除此之外，恒星自身的金属丰度也会影响到恒星自身的寿命，通常来说，恒星的金属丰度越高，恒星自身越容易吸收光子从而导致恒星能量的外泄，以至于影响到恒星内部的温度压力等因素，进而影响恒星的寿命。

恒星的寿命是多少

在恒星的一生之中，其实包含许多演化阶段，恒星因其自身的质量影响也会有不同的演化结果，科学家估计超大质量恒星的寿命可能仅维持数百万年或者千万年，就会演化为中子星或者黑洞；而类似太阳的中等质量恒星，经过数百亿年的发光发热后，会最终演化为白矮星；一些质量非常小的恒星，其寿命可能高达数兆亿年。恒星不同的演化阶段往往也代表了不同的放能方式，因此我们也可能根据不同阶段的核融合特点进行简单的计算。比如我们的太阳，其质量高达2*10^30kg，主要由氢与氦组成，太阳目前处于主序星阶段，我们将太阳看做是一个由大量氢粒子构成的气态星体，其内部的核融合反应简化后主要是四个质子通过聚变生成氦四并释放能量，当然实际的反应步骤是非常繁琐的，而且也有电子的参与。

已知质子的质量m=1.6726×10^-27 kg、氦四的质量m=6.6458×10^-27 kg、电子的质量m=0.9×10^-30 kg，光速c=3*10^8m/s，科学观测表明地球与太阳的距离约为r=1.5×10^11 m，且地球上与太阳光垂直的一平方米的面积上每秒接收到的辐射能量大约为1.35×10^3 J，而现代恒星模型认为，当太阳耗尽十分之一的质量后将进入红巨星阶段，由于每次核聚变消耗四个质子，因此我们可以估算出以氢核聚变为主的红巨星阶段的核聚变次数，它等于太阳总质量与四倍质子质量之比再乘以百分之十，而辐射出的能量则等于核聚变总次数乘以单次核聚变释放的能量，因此太阳在整个主序星阶段释放的总能量E={0.1M(4m+2m-m)c}/4m，而太阳释放能量的效率为4πr2W，二者之比就代表了太阳需要多长的时间才可以将如此多的能量释放完，也就代表了以氢粒子聚变为主的主序星阶段所持续的时间，计算结果约为一百亿年。

总结

综上所述，恒星的寿命和主要其质量有关，通常来说，恒星的质量越大，其核心区的核反应速率越快，恒星的寿命也就越短，反之则恒星的寿命也就越长；除了质量外，恒星的寿命也和恒星内部的物质对流以及金属丰度有一定的关系。现代科学认为，一些超大质量恒的寿命可能仅有数百万年，而一些质量非常小的恒星，其寿命可能高达兆亿年以上，我们的太阳作用一颗中等质量恒星，目前处于主序星阶段，这个阶段总共将持续一百亿年左右，之后会演化为以氦聚变为主的红巨星阶段。

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