4 各种各样的恒星
恒星提供了使星系变得可见的几乎所有的光。恒星是一个巨大的球形气体聚集体，包含了大量的在其核心发生核聚变的物质。在聚变过程中，较轻的原子合并形成较重的原子，释放出大量能量。大部分的恒星都依赖于氢形成氦的过程。氢生成氦的聚变的发生是因为外部物质的重量为氢核接近到能够发生核聚变的程度提供了足够的压力。并不是所有的恒星都以这种方式产生能量。如果一颗恒星无法积累足够的物质开始这种反应，它就被称为褐矮星。恒星也可以是完成其核能产生阶段后的热残余，例如白矮星和中子星。
恒星的大小和亮度非常不同，抬头看看夜空中就知道有多少不同亮度的恒星。其中在夜空中的一些亮度变化是由于单个恒星到达我们距离的差异造成的。天空中最亮的恒星通常按照一定的图样来辨识，这被称为星座。尽管这些最亮的恒星有其俗称，天文学家们仍按照它们所在的星座缀以对应每颗恒星的希腊字母标示它们，后缀从α开始，对应星座中最亮的恒星。
恒星和星系
各种各样的恒星与螺旋星系（例如太阳所在的银河系）中的各种不同区域相关。螺旋星系有着凸起的核以及由恒星构成的扁平圆盘。存在于螺旋星系球核中的大量恒星主要是老年恒星，它们被称为II族恒星，是在星系年轻时形成的。这些恒星上缺少比氦更重的化学元素（金属），这些元素只能在早期的大质量恒星的爆炸中产生。凸起的核中的恒星轨道由于星系的自转被拉平。在彩色照片中，螺旋星系的核区呈现出黄色，这也是恒星成熟的标志。
年轻和年老的恒星都存在于星系盘中，这一盘状结构的最主要特征就是旋臂。盘中包含着非常年轻的大质量恒星，其中的一些不到100万岁并且具有很高的亮度，因此它们的亮度盖过盘中的其他恒星。这些年轻恒星的温度很高，以至于发出强烈的明亮蓝光，在彩色照片上清晰可见。它们与其他的一些较轻恒星如太阳一起，被称为I族恒星。与年老并且缺少金属的II族恒星不同，它们包含有金属，当更老的恒星爆炸时，它们增加了星际间介质的含量。
星系盘中的恒星在环绕星系中心的轨道上运行。标示出旋臂的蓝色巨大恒星在旋臂的前沿生成。在这里，星际介质被压缩到足以发生崩塌形成新恒星的程度。大质量恒星生命周期很短，在几百万年后它们以超新星的形式爆炸。这发生在旋臂的后缘，这些恒星甚至没能完成环绕所在星系一周。
太阳等较暗的小质量恒星（它们由于被大质量恒星的光盖过，并不容易被看到）在数十亿年间稳定地发光并且环绕星系核数次。在这一过程中，它们不断地进出旋臂，并不受旋臂中发生的过程的影响。随着恒星的生成过程绕整个星系运动，悬臂看起来发生了转动。这一旋转与恒星的单个轨道实际上是不相关的。
在星系的晕中同样存在着恒星。除了存在球状星团中年老且缺少金属的Ⅱ族恒星，还存在着游荡于这一区域属于主星系的单个恒星。这些恒星周期性地穿过星系盘，被称为高速恒星，这是由于它们在相对于星系盘面呈大角度的方向上速度较快——尽管它们并不比周围的恒星移动得更快。具有垂直高速特征的邻近太阳的恒星只是邻近太阳系的短期访客，它们很快就会回到银晕中。在那里，它们将继续沿着轨道运行，直至来自星系核的引力再次使它们穿越星系盘进入星系晕的另一半球。
位于后发星座的M100是一个典型的螺旋星系。哈勃空间望远镜拍摄的这一照片显示了由年老且缺乏金属的黄色II族恒星构成的星系核；由年轻的灼热且富含金属的I族恒星构成的明亮蓝色旋臂。
恒星的位置被距离所掩盖，因此其变化需要经过很长的时间才能被发现。在10万年前观察北斗七星的观测者看到的是左下方的图样，与现在我们看到的位于上方的图样以及在下方10万年后的图样相似但不相同。我们观测恒星时将它们看作是在同一距离上，但它们却是位于宇宙中不同的距离上。
太阳
地球和其他七颗行星环绕着一颗恒星——太阳旋转。太阳是一颗普通的恒星，但与夜空的恒星很不相同，这是因为它离我们十分近——距地球1.496亿千米。太阳有着地球100倍以上的直径，以及将近30万倍的质量。
不同于岩状的地球，太阳由73%的氢和25%的氦构成，剩余的2%为更重的元素。太阳是一颗I族恒星，位于星系的旋臂中。
太阳是一颗典型的恒星，它发光的时间刚超过了45亿年，正处于“中年”时期，并且将再持续45亿年。它有一个内核（直径40万千米），在其内部发生着由氢转为氦的核聚变，并且伴随着大量的能量以热量、光和中微子的形式释放出来。与宇宙中的其他恒星相比，太阳的大小和亮度都不突出。
由于是气体组成的，太阳没有固体表面。地球上的观测者看到的太阳的可见表面实际上是存在使可见光波长电磁辐射发射出来的气体层。通过在其他波长上——例如X射线、紫外线等——观察太阳，使得我们能够看到位于可见表面（被称为光球层）之上和之下的太阳“表面”——这取决于观测到的波长。光球层低温上部和色球层下部气体区域中的原子和离子造成了太阳光谱中显示在太阳光线上的原子吸收暗线。这些区域构成了太阳大气层的最底层，其上部是更为稀薄的日冕。
光球层中有着很多有趣的特征，其中的大部分是由四种基本自然作用力之一的电磁力影响着的。光球层上的低温区域被称为太阳黑子，它们是在磁场线穿过光球层并且降低其周围气体的温度时产生的。其他由磁场造成的现象有耀斑和日珥。当磁场所含的能量突然被释放时，在太阳黑子之上就会产生耀斑。这使得亚原子粒子以较接近光速的速度被抛出，并且自发地释放出所有形式的电磁辐射。日珥发生在磁场将气体送到色球层中，再沿磁场线使其垂下时，有时间隔相对较长的时间发生一次，其他时候每分钟都会发生。
光球层本身就是动态的，巨大的对流气泡像在煮沸的牛奶中一样不断升起和落下，从而“表面”也随之持续波动。光球层的温度大约为6000K。
除了电磁辐射之外，太阳也一阵阵地释放出亚原子粒子，这就是所谓的太阳风。粒子沿着磁场线被加速抛入宇宙中，如果这些粒子与行星的磁场相遇，它们将被捕获。当发生在进入地球磁场中的粒子上时就被称为极光。太阳风也造成彗星彗尾的产生。
太阳的表面活动大多在地球上都能够轻易看到。太阳黑子是光球层上的低温区域，在对比之下显得较暗。日珥是沿磁场线悬浮在光球层上的超热气体环。耀斑是恒星将大量能量和亚原子粒子释放到宇宙中的剧烈爆发现象。
在太阳内核深处，能量以光子的形式产生，压在其上的物质异常致密，以至于光子都被包围着的原子所吸收并再一次释放出来。因为辐射可以在所有方向发生，光子并不是沿直线射出太阳的。沿着随机路线前进，它们可能需要100万年才能到达太阳表面。在太阳半径的大约3/4处，密度变化到足以发生对流并且允许能量被输送到光球层上。
太阳的直径接近地球直径的110倍，包含了太阳系中的大部分质量。这对应于图中较大闭合面积中（左下）的小扇形区域。太阳的可见边缘（或“表面”）被称为光球层，与中心相比温度较低 —— 约6000K，中心温度为1500万K，外层大气（日冕）的温度为200万K。
太阳的这张磁强图显示出了光球层上的磁极区域。黄色的区域为正极，深蓝色区域为负极。太阳黑子就是在这些区域中出现的。由于温度低了1000K，它们比周围的区域看起来更暗。太阳黑子的图案每天逐渐变化，总共持续大约两个月。太阳黑子的数量也在变化中：某些年份数量很多，其他时间则很少。
巨星和矮星
恒星不能够仅仅按照光谱分类去归类。尽管温度是一个区别恒星的捷径，但它并没有给出关于恒星大小的任何信息：氢燃料恒星的大小可以从太阳半径的约1/10到太阳半径的100倍。随着恒星年龄的增长，一些恒星的半径增加到太阳半径的1000倍；恒星的质量从太阳的0.08倍直到100倍。但恒星具有太阳10倍以上质量的情况比较少见。
两颗具有不同大小的相同温度恒星有着不同的亮度，这在它们的光谱中难以发现。为了区分这些差异，采用了一个五亮度等级的系统：I组恒星为超巨星；II组为亮巨星；III组为巨星；IV组为亚巨星；以及V组的“主序”恒星。主序分类包括了后光谱类型（G、K、M）矮星，它们以氢为燃料，例如太阳是被归为G2类的一颗黄矮星。分类为K或M的所有主序恒星都是红矮星。白矮星是恒星的遗迹，不包括在这一体系中。
“主序”这一名称来自于天文学家用以记录已知恒星特征而设计出的单张图表的时候。这幅图表名为赫罗图，它将恒星按照亮度和温度的关系显示于其上。
太阳位于赫罗图上太阳亮度与太阳光球层温度——5800K的交会点上。如果将其他恒星也画在这张图上，可以明显看到大部分恒星位于一条从右下角低亮度的红矮星向上通过太阳的位置，再到达左上角高亮度的蓝色恒星位置的S形带上。这就是主序，在这里恒星度过其生命周期中的大部分时间。主序对应稳定的氢燃料“中年”时期。
随着恒星年龄增加，它逐渐从主序离开，这是因为它的亮度是由它核心部分氢到氦的核聚变释放的能量所产生的，当氢的燃烧停止而氦开始燃烧时，恒星所释放能量的量发生变化，这一内部的变化导致了恒星外部也随之变化，恒星因此改变了它的亮度和温度——亮度增加而温度下降，因此它将移动到赫罗图的右上部分，这一部分主要为红巨星。处于生命最后时期的老年恒星占据了这一区域。
在所有的核反应停止后，大多数恒星结束于图的左下角部分，在这里包含了白矮星和恒星遗迹。
天狼星——夜空中最亮的恒星——是一颗位于大犬座的明亮白色恒星，距离地球8.7光年，是距离我们第六近的恒星系统。仔细的观测表明它实际上是具有一颗白矮星伴星的双星，其质量比为2.5∶1。天狼星具有A类光谱，其亮度是太阳的26倍。
夜空中的每颗恒星都被绘在了赫罗图上。赫罗图是由艾纳希·赫芝普隆和亨利·诺里斯·罗素在19世纪20年代分别独立设计出的显示恒星亮度和光谱分类的关系图。大部分恒星——稳定的“中年”天体，如天狼星——位于图中从左上到右下的一条S形曲线上，这一集合被称为主序。最大的恒星位于图中的右上角；最小的恒星位于图中底部。红矮星仍是主序的一部分。白矮星是小质量恒星在生命最后时期崩塌留下的致密核。
天蝎座α星——一颗红超巨星，位于赫罗图的右上角。红超巨星是天空中最大的恒星，有着太阳500倍的直径。它们可能比太阳亮3万倍，尽管它们有着较低的表面温度——仅约为3000K。它们也远不如其他恒星致密。
恒星的大小、质量和温度很不相同。太阳通常作为测量的标准，在这一尺度下，它的质量为1，亮度为1，半径也为1。具有相同温度的恒星每单位表面面积释放出等量的能量，亮度随大小而增加。超巨星和巨星如天蝎座α星（1）和金牛座α星（2）要比太阳（4）更大且更亮——金牛座α星比太阳大25倍，亮200倍，但它们的温度也更低：天蝎座α星只有太阳一半的温度，表面温度约为3000K。与太阳一起位于主序上的大陵变星是一颗B型恒星，比太阳大7倍，但更热也更亮：大约有1.1万K以及太阳100倍的亮度。天狼星B（5）等白矮星很微小——大约与地球一样大，但十分灼热（约1万K），但它的亮度比太阳小1000倍。
双星和多元恒星
大多数恒星都不是独立存在的，它们有伴星并互相环绕运行。我们偶尔能够通过一架望远镜看到两颗伴星，在这一情况下恒星被称为目视双星。然而不是所有看起来很接近的恒星都是真正的双星，一些恒星互不相关并且相距很远，但由于它们位于从地球出发的同一方向上，使得它们看起来在空中相距很近。真正的双星是由引力作用束缚在一起的两颗恒星，它们可能开始时是两颗原恒星，也可以是由一颗原恒星分裂开形成的。
双星中两颗恒星互相环绕的时间是高度变化的，它取决于许多因素，例如两颗恒星的质量、它们质量的比例、它们之间的距离以及它们所处的演化阶段。一些恒星环绕另一颗恒星仅需几天而另一些甚至需要几个世纪。
很多的双星不能作为目视双星被看到，这可能是由于该恒星系统距离过于遥远而无法区分两颗恒星，也可能是它相对较近但两颗成员恒星间的距离又太近。有时其中一颗恒星十分昏暗，从而另一颗恒星盖过了它的光芒。
双星系统中的恒星相互环绕它们共同的质心旋转——每个恒星都不是静止的。如果这一振荡运动能够结合恒星的背景被探测出来，就表明更小更灰暗的伴星正绕着更大更明亮的伴星旋转。这样的恒星对被称为天文双星。
发现双星的另一种方法是研究它们的光谱，光谱吸收线可能暗示了具有不同光谱分类的两颗恒星的存在。即使它们是同样的类型，它们的运动也会导致谱线的波长变化。这是因为移动中的物体发出的辐射波长将被拉伸或压缩，这取决于物体是否正在靠近或是远离，这一现象被称为多普勒效应。恒星朝着不同方向运动，导致了谱线不同程度地改变了它们的波长。于是，在单次的沿轨道环绕过程中，就产生了谱线两次分离后合并的现象。
如果伴星过于昏暗，它的光谱将被较亮的恒星所覆盖。但这样的光谱中同样存在多普勒频移，从而伴星的存在能由此显示出来，这样的系统被称为光谱双星。
双星系统为天文学家测量恒星重量提供了机会。为了达到这一目的，恒星间的距离以及它们互相环绕一周所需的时间必须被测量出来。通过简单的数学计算，能够得到两颗恒星的总质量，于是就能作出对其中哪颗恒星具有大部分质量的估计。如果两颗恒星完全相同，那么就能够简单地将得出的数字分半。
在它们生命中的大部分时间，双星只影响对方的轨道。在第一阶段中，两颗恒星环绕它们共同的质心旋转。恒星各自的引力场边界被称为洛希瓣。在两个瓣相交的点它们的引力相互抵消。
在双星生命周期的第二阶段，质量较大的恒星变为红巨星并且填满它的洛希瓣。从这颗星上喷出的物质经过一阵恒星风，通过较小恒星的引力场，被捕获并向其表面螺旋下降。这一过程使得较小恒星的质量增加。
这三幅双星的照片列出了三种不同的双星系统。在这些恒星中，相距最远的为34弧度秒，发生在天鹅座β恒星系统中，距离地球410光年。距离最近的系统是仙女座γ星，其两星距离仅为10弧度秒。不同的颜色表示不同的质量或是恒星演化周期中的不同时期。开阳，或者说大熊座ζ星，是一个三星系统。
三星系统与四星乃至更多恒星组成的系统也是已知的。多星系统中的恒星越多，这样的系统也就越少。已知恒星中超过一半的恒星是存在于双星系统或者是六星系统中的。
双星系统中，当两颗恒星的排列使得它们在地球上看来发生相互交食时，就是食双星。这导致系统发出的光的变化：当一颗恒星在另一颗恒星一旁时，双星最为明亮；亮度的最大落差发生在较亮恒星被较暗恒星遮挡时——即便较亮的恒星也是较大的一颗。两颗恒星的运动通常和分光镜分析能被分辨出来。最出名的食双星是大陵变星或者说是英仙座β，它的星等以不到三天为周期，在2.2到3.7之间变化。
在第三阶段中，红巨星完成了它的演化进程，使它变为一颗白矮星或者是中子星。那颗仍然位于主序上的曾经的较小恒星继续演化，但演化的速率不再像以前那么快。
在第四阶段中，伴星（曾经的较小恒星）最终变为红巨星。像是它之前的伴星一样，这颗恒星比原来扩大了很多倍。它同样填满了自身的洛希瓣，并且开始将质量传回第一颗恒星，下一步发生什么取决于第一颗恒星最终变化成什么：如果传送的物质落到白矮星上，将会产生新星；如果物质落向中子星，将会产生X射线暴。
变星
如果双星系统的轨道平面侧向地球，两颗恒星将会周期性地发生交食，其中一颗恒星挡住伴星发出的光线。这使得系统的亮度发生变化，变化取决于两颗被涉及恒星的相对亮度：它们之间发生全食还是偏食；它们是否处于质量转移过程中并产生高温的亮点。亮度变化的图形被称为光变曲线，它在不同条件下有着不同的形状。
一些个体的恒星本身亮度也发生变化，这表明发生在这一变星的内部进程。变星总共有两大类——脉动变星和爆发变星。脉动变星固定周期性地改变亮度，伴随着恒星“表面”的脉动——实际上是恒星的扩张和收缩。造父变星是以固定方式脉动的黄巨星，它们十分明亮且易于辨认，通常被用于确认邻近星系的距离。造父变星有两种类型，II型造父变星——处女座W型恒星——比I型更暗。红巨星也倾向于发生变化，就被称为米拉型变星。米拉型变星在80到1000天的周期内能够变化1万指数。其他的红巨星在数年长的时间尺度上温和且稳定地变化。
爆发变星包括了被称为焰星的昏暗红矮星，它们是低温且昏暗的，并且首先由于不可预测的亮度增加与其他的变星不同。事实上，在爆发变星上所发生的可能与太阳耀斑一样，但由于它比太阳昏暗很多，耀斑就看起来变得很猛烈了。
新星是亮度突然增加到原先亮度几千倍的恒星，它们被认为是物质正从较大恒星转移到白矮星伴星的双星系统。转移的物质引发了快速的核聚变过程，从而恒星急剧变亮。随着物质的再次累积，再一次出现新星成为可能。如果聚集到足够的物质，白矮星将被核爆炸摧毁，释放出更多的能量。于是系统在I型超新星爆炸中被彻底摧毁——这一爆炸威力极大，使得它在爆炸的几天中达到了星系亮度。II型超新星没有这么亮，它发生于大质量恒星到达生命终结并自身分裂时。
大多数多变的恒星活动是由恒星年龄增加这一事实造成的。但在成为主序恒星之前，年轻恒星经历了一个不可预测的剧烈变化时期，这是由于其核心内刚刚发生的核聚变需要一定时间稳定下来。当这发生在与太阳具有相近质量的恒星中时，就被称为经典金牛座T型星阶段。
新星被认为是发生在其中一颗恒星变成白矮星的双星系统中的。开始时两颗恒星都位于主序上，但其中一颗比另一颗具有更大的质量，大的恒星演化得更快并且变成红巨星。它变得足够大并且充满了自身的洛希瓣，洛希瓣中的所有物质都是由该恒星的引力所支配。越过这一限制的物质从较大恒星转移到较小恒星上。在下一阶段，较大恒星死亡并在其位置上留下一颗白矮星。