Le Soleil, l’étoile la plus proche de la Terre.

Une étoile est un corps céleste gazeux qui rayonne sa propre lumière par réactions de fusion nucléaire, ou des corps qui ont été dans cet état à un stade de leur cycle de vie, comme les naines blanches ou les étoiles à neutrons. Cela signifie qu'elles doivent posséder une masse minimale pour que les conditions de température et de pression au sein de la région centrale — le cœur — permettent l'amorce et le maintien de ces réactions nucléaires, seuil en deçà duquel on parle d'objets substellaires. Les masses possibles des étoiles s'étendent de 0,085 masse solaire à une centaine de masses solaires. La masse détermine la température et la luminosité de l'étoile.

La plupart des étoiles se situent sur la séquence principale du diagramme de Hertzsprung-Russell, où les étoiles produisent leur énergie et leur rayonnement par conversion de l'hydrogène en hélium, par des mécanismes de fusion nucléaire comme le cycle carbone-azote-oxygène ou la chaîne proton-proton.

Pendant une grande partie de son existence, une étoile est en équilibre hydrostatique sous l'action de deux forces qui s'opposent : la gravitation, qui tend à contracter et faire s'effondrer l'étoile, et la pression cinétique (avec la pression de radiation pour les étoiles massives), régulée et maintenue par les réactions de fusion nucléaire, qui tend au contraire à dilater l'astre. À la fin de cette phase, marquée par la consommation de la totalité de l'hydrogène, les étoiles de la séquence principale se dilatent et évoluent en étoile géante qui obtient son énergie d'autres réactions nucléaires, comme la fusion de l'hélium en carbone et oxygène.

Une étoile rayonne dans tout le spectre électromagnétique, au contraire de la plupart des planètes (comme la Terre) qui reçoivent principalement l'énergie de l'étoile ou des étoiles autour desquelles elles gravitent.

Le Soleil est une étoile assez typique dont la masse, de l'ordre de 2×10 kg, est représentative de celle des autres étoiles.

Histoire

Ciel étoilé au crépuscule. On reconnait les constellations de Persée (au centre) et du Cocher (en bas à gauche), ainsi que l’amas des Pléiades (en bas à droite).

Mouvement apparent des étoiles autour de l’étoile polaire.

Historiquement, les étoiles sont les points lumineux du ciel visibles uniquement la nuit et fixes les uns par rapport aux autres, par opposition aux planètes qui suivent des trajectoires errantes dans le ciel nocturne au cours de l'année. Les anciens avaient une connaissance approfondie de la répartition des étoiles dans le ciel : ils les utilisaient pour la navigation et attribuaient des noms à certaines d'entre elles ainsi qu'aux formes qu'elles dessinent, les constellations. Cependant ils ignoraient tout de leur nature exacte, pensant souvent qu'il s'agissait d'orifices percés à travers la sphère céleste. C'est seulement avec l'essor de l'astronomie moderne que les étoiles ont pu être comprises comme des objets de même nature que le Soleil mais situés à des distances considérablement plus grandes. Cette hypothèse fut énoncée pour la première fois par Giordano Bruno au XVI siècle avant d'être confirmée expérimentalement en 1838 avec la première mesure de parallaxe réalisée par Friedrich Wilhelm Bessel, ainsi que les observations spectrométriques effectuées grâce à l'appareil inventé en 1814 par l'opticien Joseph von Fraunhofer.

Description générale

Une étoile est donc un objet céleste en rotation, de forme a priori sphérique, constitué essentiellement de plasma, et dont la structure est modelée par la gravité. Lors de sa formation, une étoile est essentiellement composée d’hydrogène et d’hélium. Durant la majeure partie de son existence, son cœur est le siège de réactions de fusion nucléaire, dont une partie de l’énergie est rayonnée sous forme de lumière ; la matière qui la compose s’en trouve presque complètement ionisée.

Le Soleil est l’étoile la plus proche de la Terre, l’énergie qu’il rayonne y permet le développement de la vie. Il apparait bien plus lumineux que toutes les autres étoiles en raison de sa proximité : la seconde étoile la plus proche de la Terre, Proxima du Centaure, est 250 000 fois plus éloignée. Sauf en cas exceptionnel comme une éclipse, les autres étoiles ne sont visibles que la nuit lorsque leur éclat n’est pas noyé par celui du ciel diurne, résultant lui-même de la diffusion de l’éclairement solaire.

Les étoiles sont regroupées au sein de galaxies. Une galaxie typique, comme la nôtre, la Voie lactée, contient plusieurs centaines de milliards d’étoiles. Au sein des galaxies, les étoiles peuvent être liées dans des systèmes multiples (quelques étoiles) ou des amas (plusieurs dizaines à quelques centaines de milliers d’étoiles).

La sphère céleste fait également apparaître des groupements d’étoiles, les constellations ; il s’agit en fait d’une illusion optique due à l’effet de projection. Les étoiles composant une constellation sont généralement situées à des distances très différentes de la Terre.

Une étoile possède une masse comprise entre 0,07 et 300 fois environ celle du Soleil (elle-même égale à 300 000 fois celle de la Terre, soit environ 2×10 kg). Les astres de masse plus faible ne permettent pas l’amorçage des réactions de fusion nucléaire de l’hydrogène, alors que les étoiles de masse plus élevée sont sujettes à des instabilités entrainant une perte de masse. La durée de vie d’une étoile est essentiellement déterminée par la vitesse à laquelle se produisent les réactions nucléaires : plus la masse de l’étoile est élevée, plus les réactions nucléaires sont rapides et la durée de vie de l’étoile est brève. Les étoiles les plus massives ont une durée de vie de quelques millions d’années seulement, les moins massives, de plus de mille milliards d’années. Une étoile comme le Soleil a une durée de vie de l’ordre de 10 milliards d’années.

La formation d’étoiles est due à l’effondrement d’un nuage de gaz et à sa fragmentation possible en plusieurs proto-étoiles, lesquelles s’échauffent à mesure qu’elles se contractent. La température atteint alors une valeur telle que le cœur « s’allume » : l’hydrogène fusionne en hélium, fournissant l’énergie qui arrête l’effondrement. L’étoile entre alors dans la séquence principale dans laquelle elle passe la majeure partie de son existence. L’énergie produite par cette conversion est progressivement évacuée par l’étoile à la fois par convection et par radiation et s’échappe finalement de la surface de l’étoile sous forme de rayonnement, de vents stellaires et de neutrinos. Son évolution ultérieure dépend essentiellement de sa masse. Plus celle-ci est élevée, plus l’étoile est en mesure d’amorcer des réactions de fusion avec des éléments chimiques de plus en plus lourds. Elle peut ainsi synthétiser du carbone, puis de l’oxygène, du néon, etc. La quasi-totalité des éléments plus lourds que l’hélium est produite dans les étoiles (on parle de nucléosynthèse stellaire) dans les derniers stades de leur évolution. Si une étoile est suffisamment massive pour synthétiser du fer, alors elle est vouée à connaitre une fin paroxystique sous forme de supernova : son cœur implose et ses couches externes sont disloquées par le processus. Le résidu laissé par l’implosion du cœur est un objet extrêmement compact, qui peut être soit une étoile à neutrons, éventuellement détectable sous la forme d’un pulsar, soit un trou noir. Les étoiles moins massives connaissent une fin de vie moins violente : elles perdent peu à peu la majeure partie de leur masse, qui forme par la suite une nébuleuse planétaire, et voient leur cœur se contracter lentement pour former une naine blanche.

Observation

À l’œil nu

La nuit, les étoiles apparaissent à l’œil nu sous la forme de points (à cause de leur éloignement) brillants de couleur blanche, parfois aussi rouge, orangée ou bleue — généralement scintillants et sans mouvement apparent immédiat par rapport aux autres objets fixes de la voûte céleste. Le phénomène de scintillation est dû à l’extrême petitesse de la taille angulaire des étoiles (quelques millisecondes d’arc voire moins), qui est inférieure à celle de la turbulence atmosphérique. À l’inverse, les planètes, bien qu’apparaissant comme des points, ont en réalité une taille angulaire suffisante pour ne pas être soumises au phénomène de scintillation. Si les étoiles se déplacent les unes par rapport aux autres, ce mouvement propre est très faible, même pour les étoiles les plus proches, n’excédant pas quelques secondes d’arc par an, ce qui explique leur apparente immobilité les unes par rapport aux autres.

Le jour, le Soleil domine et sa lumière, diffusée par la couche atmosphérique, occulte celle des étoiles. Mais l’astre le plus brillant visible depuis la Terre est bien lui-même une étoile.

Le Soleil semble beaucoup plus gros que toutes les autres étoiles car celles-ci sont bien plus éloignées : l’étoile la plus proche de la Terre après le Soleil, Proxima du Centaure, est située à environ quatre années-lumière de nous, soit près de 270 000 fois la distance qui nous sépare du Soleil (l’unité astronomique).

Selon les conditions d’observation, le nombre d’étoiles visibles à l’œil nu varie fortement et peut atteindre plusieurs milliers dans les cas les plus favorables. Hormis le Soleil et Sirius — et encore, uniquement dans d’excellentes conditions d’observation — les étoiles sont trop peu brillantes pour être observables en plein jour (sauf lors des éclipses totales de Soleil et lors de phénomènes temporaires comme les novae ou les supernovae). L’éclat des étoiles est quantifié par une grandeur appelée magnitude apparente. Pour des raisons historiques, la magnitude est d’autant plus petite que l’astre est brillant : l’astronome de la Grèce antique Hipparque avait classifié les étoiles en astres de première grandeur pour les plus brillants, seconde grandeur pour les suivants, et ainsi de suite jusqu’à cinquième grandeur. La définition mathématique précise de la magnitude apparente reprend essentiellement cette classification, avec les étoiles les plus brillantes dotées d’une magnitude proche de 0 (à l’exception de Sirius, de magnitude -1,5 et de Canopus, de magnitude -0,7) et les plus faibles d’une magnitude supérieure à 6. Un écart de 1 en magnitude correspond à un rapport de luminosité de 2,5 environ, un écart de 5 à un rapport de 100. Le Soleil a une magnitude apparente de -26,7, c’est-à-dire que vu de la Terre, il est environ 10 milliards de fois plus brillant que Sirius.

Les étoiles semblent associées en figures géométriques plus ou moins simples, les constellations ; il s’agit d’un simple effet d’optique. Les structures stellaires réelles sont des amas (rassemblant quelques milliers d’étoiles) ou des galaxies (rassemblant de l’ordre du milliard d’étoiles).

L’observation à l’œil nu a été la première forme d’astronomie.

Avec des instruments

Les étoiles sont longtemps restées des points dans le ciel, et ce même vues à travers les plus puissants instruments de grossissement, tels que la lunette astronomique ou le télescope. C'est seulement à partir de la fin du vingtième siècle et du début du vingt-et-unième que la résolution angulaire des meilleurs instruments est devenue inférieure à la seconde d'arc et s'est donc avérée suffisante pour apercevoir des structures autour de certaines étoiles ainsi que pour distinguer ces étoiles comme un disque et non comme un point. Cependant encore de nos jours l'écrasante majorité des étoiles reste inaccessible à une telle observation directe.

L'essentiel des observations stellaires se concentrent donc sur des données relatives à leur spectre électromagnétique, leur luminosité ou leur polarisation, mesurées respectivement à l'aide du spectrographe, du photomètre et du polarimètre.

Après l’œil, les détecteurs utilisés furent les plaques photographiques puis les détecteurs numériques comme le CCD.

L'étude des étoiles comporte aussi celle du Soleil, qui lui peut être observé en détail, mais avec un équipement approprié, notamment de puissants filtres. L'observation du soleil est une activité potentiellement dangereuse pour l'œil et pour le matériel : elle ne doit être pratiquée que par un public averti et compétent.

Catalogues d’étoiles

Pour repérer les étoiles et faciliter le travail des astronomes, de nombreux catalogues ont été créés. Parmi les plus célèbres, citons le catalogue Henry Draper (HD) et le Bonner Durchmusterung (BD). Les étoiles y sont rangées par leurs coordonnées, alpha (ascension droite) et delta (déclinaison) et un numéro leur est attribué : par exemple, HD 122653 (célèbre géante de Population II, très déficiente en métaux).

Caractéristiques principales

Une étoile est caractérisée par différentes grandeurs :

Masse

La masse est une des caractéristiques les plus importantes d’une étoile. En effet, cette grandeur détermine sa durée de vie ainsi que son comportement pendant son évolution et la fin de sa vie : une étoile massive sera très lumineuse mais sa durée de vie sera réduite.

Les étoiles ont une masse comprise entre environ 0,08 et 300 fois la masse du Soleil, soit (très) près de 2×10 kilogrammes (deux milliards de milliards de milliards de tonnes). En dessous de la masse minimale, l’échauffement généré par la contraction gravitationnelle est insuffisant pour démarrer le cycle de réactions nucléaires : l’astre ainsi formé est une naine brune. Au-delà de la masse maximale, la force de gravité est insuffisante pour retenir toute la matière de l’étoile une fois les réactions nucléaires entamées. Jusqu’à peu, on pensait que la masse d’une étoile ne pouvait excéder 120 à 150 fois la masse solaire mais la récente découverte d’une étoile ayant une masse 320 fois supérieure à celle du Soleil a rendu cette hypothèse caduque.

Limites de masse des étoiles

Limite basse

Les étoiles ayant la plus petite masse observée (1/20 de masse solaire) sont les naines rouges, qui fusionnent très lentement l'hydrogène en hélium. En dessous, il y a les naines brunes qui enclenchent juste la fusion du deutérium à leur formation.

Limite haute

La masse d'une étoile est limitée par les circonstances du processus de formation et par sa stabilité sur la séquence principale, essentiellement par le taux d'éjection du vent stellaire.

Les étoiles les plus massives ont généralement une masse d'environ 50 à 80 masses solaires. Les étoiles encore plus massives sont instables car la gigantesque pression de radiation qui règne en leur centre provoque l'expulsion « rapide » de la matière qui les constitue, diminuant ainsi significativement leur masse durant leur « brève » séquence principale.

On pense que la première génération d'étoiles de l'Univers, celles de la population III, furent des étoiles principalement géantes, typiquement plus de 100 masses solaires, jusqu'à 1000 masses solaires. Elles purent exister (et se maintenir durant leur « courte » séquence principale), car leur métallicité était pour ainsi dire nulle et les ions « métalliques » sont bien plus sensibles à la pression de radiation que l'hydrogène et l'hélium ionisés. Une bonne partie d'entre elles finissent en hypernovas.

En janvier 2004, Stephen Eikenberry de l'université de Californie, a annoncé avoir trouvé l'étoile la plus massive jamais observée : LBV 1806-20. Il s'agit d'une étoile très jeune qui ferait au moins 150 masses solaires. En juillet 2010, une équipe internationale d'astronomes annonce la découverte avec le VLT au Chili de l'étoile R136a1 dans la nébuleuse de la Tarentule qui serait 265 fois plus massive que le Soleil. Selon le professeur Paul Crowther de l'Université de Sheffield elle fait 320 fois la masse du Soleil.

Estimation

La détermination de la masse d’une étoile ne peut se faire de façon précise que lorsqu’elle appartient à un système binaire par l’observation de son orbite. La troisième loi de Kepler permet alors de calculer la somme des masses des deux étoiles de la binaire à partir de sa période et du demi-grand axe de l’orbite décrite et de la distance de la Terre à l’étoile double observée. Le rapport des masses est obtenu par la mesure de la vitesse radiale des deux étoiles de la binaire. La connaissance de la somme et du rapport des masses permet de calculer la masse de chaque étoile. C’est la technique la plus précise.

D’autres estimations sont possibles pour des étoiles non binaires (simples) en utilisant la détermination spectroscopique de la gravité de surface et la mesure du rayon de l’étoile par interférométrie. Enfin, si l’étoile est observée de façon précise en photométrie et si sa distance, sa composition chimique et sa température effective sont connues, il est possible de la positionner dans un diagramme de Hertzsprung-Russell (noté HR) qui donne immédiatement la masse et l’âge de l’étoile (théorème de Vogt-Russell).

Diamètre

Taille relative de 4 étoiles et d’une planète.

Comparativement à notre planète (12 756 km de diamètre), les étoiles sont gigantesques : le Soleil a un diamètre d’environ un million et demi de kilomètres et certaines étoiles (comme Antarès ou Bételgeuse) ont un diamètre des centaines de fois supérieur à ce dernier.

Le diamètre d’une étoile n’est pas constant dans le temps : il varie en fonction de son stade d’évolution. Il peut aussi varier régulièrement pour les étoiles variables périodiques (RR Lyrae, Céphéides, Miras, etc.).

Des interféromètres comme celui du VLT de l’ESO au Chili ou CHARA en Californie permettent la mesure directe du diamètre des étoiles les plus proches.

Composition chimique

La composition chimique de la matière d’une étoile ou d’un gaz dans l’Univers est généralement décrit par trois quantités en nombre de masse : X l’hydrogène, Y l’hélium et Z la métallicité. Ce sont des grandeurs proportionnelles satisfaisant la relation : X + Y + Z = 1.

Métallicité

La métallicité est la quantité (mesurée en nombre, ou généralement par masse) des éléments plus lourds que l’hélium présents dans l’étoile (ou plutôt sa surface). Le Soleil possède une métallicité (notée Z) de 0,02 : 2 % de la masse du Soleil est composée d’éléments qui ne sont ni de l’hydrogène, ni de l’hélium. Pour le Soleil, ce sont principalement du carbone, de l’oxygène, de l’azote et du fer. Bien que cela semble faible, ces deux pour cent sont pourtant très importants pour évaluer l’opacité de la matière de l’étoile, qu’elle soit interne ou dans son atmosphère. Cette opacité contribue à la couleur, à la luminosité et à l’âge de l’étoile (voir diagramme de Hertzsprung-Russell et théorème de Vogt-Russell).

L’opacité est directement liée à la capacité de l’étoile à produire un vent stellaire (cas extrême des étoiles Wolf-Rayet).

Magnitude

La magnitude mesure la luminosité d’une étoile ; c’est une échelle logarithmique de son flux radiatif. La magnitude apparente dans un filtre donné (ex. le visible noté mv), qui dépend de la distance entre l’étoile et l’observateur, se distingue de la magnitude absolue, qui est la magnitude de l’étoile si celle-ci était arbitrairement placée à 10 parsecs de l’observateur. La magnitude absolue est directement liée à la luminosité de l’étoile à condition de tenir compte d’une correction dite bolométrique (on la note BC). L’introduction de l’échelle logarithmique des magnitudes vient du fait que l’œil possède une sensibilité également logarithmique, en première approximation (loi de Pogson).

Température et couleur

La plupart des étoiles paraissent blanches à l’œil nu, parce que la sensibilité de l’œil est maximale autour du jaune. Mais si nous regardons attentivement, nous pouvons noter que de nombreuses couleurs sont représentées : bleu, jaune, rouge (les étoiles vertes n’existent pas). L’origine de ces couleurs resta longtemps un mystère jusqu’à il y a deux siècles, quand les physiciens eurent suffisamment de compréhension sur la nature de la lumière et les propriétés de la matière aux très hautes températures.

La nébuleuse NGC 1999 est illuminée de façon spectaculaire par V380 Orionis (centre), une étoile variable d’approximativement 3,5 fois la masse du Soleil. Image NASA .

La couleur permet de classifier les étoiles suivant leur type spectral (qui est en rapport avec la température de l’étoile). Les types spectraux vont du plus violet au plus rouge, c’est-à-dire du plus chaud vers le plus froid. Ils sont classés par les lettres O B A F G K M. Le Soleil, par exemple, est de type spectral G.

Mais il ne suffit pas de caractériser une étoile par sa couleur (son type spectral), il faut aussi mesurer sa luminosité. En fait, pour un type spectral donné, la taille de l’étoile est corrélée à sa luminosité, la luminosité étant fonction de la surface — et donc de la taille de l’étoile. Les étoiles O et B sont bleues à l’œil comme β Orionis (Rigel) ; les étoiles A sont blanches comme α Canis Majoris (Sirius) ou α Lyrae (Véga) ; les étoiles F et G sont jaunes, comme le Soleil ; les étoiles K sont orange comme α Bootis (Arcturus) ; et enfin les étoiles M sont rouges comme α Orionis (Bételgeuse).

On peut définir un indice de couleur, correspondant à la différence de flux photométrique dans deux bandes spectrales dites bandes photométriques (les filtres). Par exemple, le bleu (B) et le visible (V) formeront ensemble l’indice de couleur B-V dont la variation est reliée à la température de surface de l’étoile et donc à son type spectral. Les indices de température les plus utilisés sont le B-V, le R-I et le V-I car ce sont les plus sensibles à la variation de la température.

Vitesse de rotation

Cette étoile a une inclinaison i par rapport à l’observateur terrestre (Earth) et une vitesse de rotation équatoriale v_e.

La rotation du Soleil a été mise en évidence grâce au déplacement des taches solaires. Pour les autres étoiles, la mesure de cette vitesse de rotation (plus précisément, la vitesse mesurée est la projection de la vitesse de rotation équatoriale sur la ligne de visée), s’obtient par spectroscopie. Elle se traduit par un élargissement des raies spectrales.

Ce mouvement de rotation stellaire est un reliquat de leur formation à partir de l’effondrement du nuage de gaz. La vitesse de rotation dépend de leur âge : elle diminue au cours du temps, sous les effets conjugués du vent stellaire et du champ magnétique qui emportent une partie du moment cinétique de l’astre. Cette vitesse dépend également de leur masse et de leur statut d’étoile simple, binaire ou multiple. Une étoile n’étant pas un corps solide (c’est-à-dire rigide), elle est animée d’une rotation différentielle : la vitesse de rotation dépend de la latitude.

En 2011, le Very Large Telescope découvre VFTS 102 (en), l’étoile à la plus grande vitesse de rotation jamais observée (seuls les pulsars peuvent tourner beaucoup plus rapidement), soit plus de deux millions de kilomètres par heure.

Spectre radiatif

Le spectre d’une source lumineuse et donc d’une étoile est obtenu par des spectrographes qui décomposent la lumière en ses différentes composantes et les enregistrent par le biais de détecteurs (historiquement, des plaques photographiques et aujourd’hui des détecteurs de type CCD). Cette décomposition de la lumière révèle la distribution de l’énergie lumineuse venant de l’étoile en fonction de la longueur d'onde. Elle permet de mettre en évidence des raies spectrales en émission et/ou en absorption révélant les conditions de température, de pression et d’abondances chimiques des couches externes de l’étoile.

Champ magnétique

Champ magnétique de l’étoile massive τ {\displaystyle \tau } Scorpii, obtenu par imagerie Zeeman-Doppler.

Comme le Soleil, les étoiles sont souvent dotées de champs magnétiques. Leur champ magnétique peut avoir une géométrie relativement simple et bien organisée, ressemblant au champ d’un aimant comme le champ magnétique terrestre ; cette géométrie peut être aussi nettement plus complexe et présenter des arches à plus petite échelle. Le champ magnétique du Soleil, par exemple, possède ces deux aspects ; sa composante à grande échelle structure la couronne solaire et est visible lors des éclipses, tandis que sa composante à plus petite échelle est liée aux taches sombres qui maculent sa surface et dans lesquelles les arches magnétiques sont ancrées.

Il est possible de mesurer le champ magnétique des étoiles à travers les perturbations que ce champ induit sur les raies spectrales formées dans l’atmosphère de l’étoile (l’effet Zeeman). La technique tomographique d’imagerie Zeeman-Doppler permet en particulier de déduire la géométrie des arches géantes que le champ magnétique dresse à la surface des étoiles.

Parmi les étoiles magnétiques, on distingue d’abord les étoiles dites « froides » ou peu massives, dont la température de surface est inférieure à 6 500 K et dont la masse ne dépasse pas 1,5 masse solaire - le Soleil fait donc partie de cette classe. Ces étoiles sont « actives », c’est-à-dire qu’elles sont le siège d’un certain nombre de phénomènes énergétiques liés au champ magnétique, par exemple la production d’une couronne, d’un vent (dit vent solaire dans le cas du Soleil) ou d’éruptions. Les taches à la surface du Soleil et des étoiles témoignent également de leur activité ; comme les champs magnétiques, les taches des étoiles peuvent être cartographiées par des méthodes tomographiques. La taille et le nombre de ces taches dépendent de l’activité de l’étoile, elle-même fonction de la vitesse de rotation de l’étoile. Le Soleil, qui effectue un tour complet sur lui-même en 25 jours environ, est une étoile ayant une faible activité cyclique. Le champ magnétique de ces étoiles est produit par effet dynamo.

Il existe aussi des étoiles chaudes magnétiques. Mais contrairement aux étoiles froides, qui sont toutes magnétiques (à différents degrés), seule une petite fraction (entre 5 et 10 %) des étoiles chaudes (massives) possède un champ magnétique, dont la géométrie est en général assez simple. Ce champ n’est pas produit par effet dynamo ; il constituerait plutôt une empreinte fossile du magnétisme interstellaire primordial, capturé par le nuage qui va donner naissance à l’étoile et amplifié lors de la contraction de ce nuage en étoile. De tels champs magnétiques ont été baptisés « champs magnétiques fossiles ».

Structure d’une étoile

Structures internes d'étoiles de la séquence principale ; les zones de convection sont indiquées par des cycles avec flèches et les zones radiative, avec des zigzags rouges. À gauche une naine rouge de faible masse, au centre, une naine jaune de masse moyenne et, à droite, une étoile bleu-blanche massive de la séquence principale

À partir des différentes grandeurs mesurées et de simulations issues de différents modèles, il est possible de construire une image de l’intérieur d’une étoile, bien qu’il nous soit presque inaccessible — l’astérosismologie permettant littéralement de sonder les étoiles.

En l’état actuel de nos connaissances, une étoile est structurée en différentes régions concentriques, décrites ci-après à partir du centre.

Noyau

Le noyau (ou cœur) est la partie centrale de l’étoile, concentrant une grande partie de la masse de l’astre, dans laquelle se déroulent les réactions thermonucléaires qui dégagent l’énergie nécessaire à sa stabilité. Le noyau est la zone la plus dense et la plus chaude, et, dans le cas du Soleil, atteint la température de 15,7 millions de kelvins. Dans ces conditions extrêmes, la matière se trouve sous forme de plasma ; par effet tunnel, les noyaux d’hydrogène (protons) ou d’autres éléments chimiques atteignent des vitesses leur permettant de vaincre leur répulsion électrique et de fusionner : par exemple, dans les chaines nucléaires dites proton-proton (ou PP1, PP2…), les protons fusionnent par groupe de quatre pour donner un noyau d’hélium, composé de deux protons et de deux neutrons. Il se produit alors un dégagement d’énergie selon les réactions suivantes :

2 (H + H → D + e + νe) (4,0 MeV + 1,0 MeV)

2 (H + D → He + γ) (5,5 MeV)

He + He → He + H + H (12,86 MeV).

D’autres réactions thermonucléaires existent dans le centre des étoiles et contribuent plus ou moins à la production d’énergie.

Une partie de l’énergie dégagée sous forme de photons commence alors un long voyage vers l’extérieur, car un plasma est opaque et la lumière y voyage très difficilement. On estime qu’un photon met plusieurs millions d’années avant d’atteindre la surface de l’étoile par transfert de rayonnement puis par convection vers la surface.

Zone radiative

L’énergie libérée par les réactions de fusions nucléaires dans le noyau de l’étoile se transmet aux couches externes par rayonnement. Dans les étoiles peu massives et évoluant sur la séquence principale, cette zone radiative est surmontée d’une zone convective externe ; dans les naines rouges, la zone radiative a entièrement disparu au profit de la zone convective. Dans le Soleil, le rayonnement produit dans la partie centrale met près d’un million d’années à traverser la zone radiative.

Zone convective

Au contraire de la zone précédente, l’énergie se transmet par des mouvements macroscopiques de matière : chauffée à la base de la couche convective, la matière s’élève sous l’effet de la poussée d'Archimède, réchauffe la matière alentour (vers la surface), se refroidit et plonge vers la base de la zone convective pour un nouveau cycle. C’est le principe de la convection. Cette zone convective est plus ou moins grande : pour une étoile sur la séquence principale, elle dépend de la masse et de la composition chimique ; pour une géante, elle est très développée et occupe un pourcentage important du volume de l’étoile ; pour une supergéante, cette zone peut atteindre les trois quarts du volume de l’étoile, comme pour Bételgeuse. Dans les étoiles de très faible masse (naines rouges) ou dans les protoétoiles en formation de faible masse (étoiles T Tauri), la zone convective occupe la totalité du volume de l’étoile ; dans les étoiles plus massives que deux fois la masse du Soleil, la zone convective externe disparaît (laissant la place à la zone radiative) mais la convection subsiste au cœur de l’étoile.

C’est dans la zone convective externe que sont produits les champs magnétiques de type dynamo des étoiles froides comme le Soleil et les naines rouges.

Photosphère

La photosphère est la partie externe de l’étoile qui produit la lumière visible. Elle est plus ou moins étendue : de moins de 1 % du rayon pour les étoiles naines (quelques centaines de kilomètres) à quelques dixièmes du rayon de l’étoile pour les géantes les plus grandes. La lumière qui y est produite contient toutes les informations sur la température, la gravité de surface et la composition chimique de l’étoile. Pour le Soleil, la photosphère a une épaisseur d’environ 400 kilomètres.

Couronne

La couronne est la zone externe, ténue et extrêmement chaude du Soleil. Elle est due à la présence d’un champ magnétique, produit dans la zone convective ; on peut l’observer lors des éclipses de Soleil. C’est grâce à l’étude de la couronne au XIX siècle que l’astronome Jules Janssen a découvert l’existence du gaz rare dont le nom fait référence au Soleil (Hélios) : l’hélium. Le fait que la température de la couronne atteigne plusieurs millions de degrés est un problème théorique difficile et non encore complètement résolu. Il est probable que la plupart des étoiles de faible masse (contenant une zone convective externe) possèdent des champs magnétiques et donc des couronnes.

Théorème de Vogt et Russell

Le théorème de Vogt-Russell peut s’énoncer ainsi : si en tous points d’une étoile la connaissance des valeurs de la température, de la densité et de la composition chimique du plasma interne sont suffisantes pour calculer la pression, l’opacité du plasma et le taux d’énergie produit, alors la masse et la composition chimique de l’étoile sont suffisantes pour décrire la structure de celle-ci. Il en résulte les relations masse-rayon ou masse-luminosité des étoiles.

Évolution

L’histoire d’une étoile est entièrement déterminée par sa masse M et sa composition chimique X, Y, Z (théorème de Vogt et Russell). M détermine sa durée d’existence, et conditionne sa fin. L’évolution d’une étoile passe par plusieurs phases, la première est la phase naine ou séquence principale, la seconde est la phase géante puis supergéante pour terminer par la phase finale telle une supernova ou une nébuleuse planétaire.

Formation

Une étoile nait de la contraction d’un nuage galactique riche en hydrogène. Sous l’influence d’une onde de densité (bras de galaxie), d’une onde de choc (supernova ou nova proche), ou d’une fluctuation de densité au sein de celui-ci, une région commence à se contracter. Par un effet boule de neige, cette région, de plus en plus dense attire à elle de plus en plus de gaz. La contraction du gaz entraine son échauffement : la proto-étoile rayonne (dans l’infrarouge). Ce rayonnement ralentit par pression de radiation, mais n’interrompt pas, l’inexorable action de la gravitation sur le gaz environnant. La compression se poursuit donc tant que le gaz chute sur la proto-étoile. Si l’échauffement interne est suffisant, il peut initier des réactions nucléaires au cœur de la proto-étoile. L’énergie dégagée par ces réactions arrête la contraction du fait de la pression de radiation ainsi générée.

Les étoiles sont formées à partir de gaz et de poussières en suspension dans la galaxie. Au début, ceux-ci s'unissent pour former des nuages moléculaires galactiques. À la suite d'une instabilité externe (voir ci-dessus), ils sont poussés à se rassembler et se contracter sur eux-mêmes par gravitation. En se contractant, les nuages galactiques forment les étoiles, ainsi que les planètes. Au début, la température dans ces nuages est très basse, mais quand la gravitation les fragmente et les compresse, leur température augmente. Au bout de quelques milliers d'années, le nuage prend la forme d'un disque aplati. Au centre du disque, le nuage se condense en sphère dont la forte compression gravitationnelle a fait monter la température centrale à plus d'un million de degrés, et sa surface à plus de 1000°C. C'est ce qu'on appelle une protoétoile. Lorsque la température centrale atteint ces valeurs, les électrons sont détachés des noyaux atomiques, nous considérons que l'intérieur de la protoétoile est sous forme de plasma. Dix millions d'années plus tard, le cœur de la nouvelle étoile dépasse dix millions de degrés. À ces températures, les noyaux d'hydrogène (essentiellement des protons libres) se déplacent assez rapidement pour entrer en collision, et former de l'hélium par réaction de fusion nucléaire. Les étoiles sont sans cesse soumises à la force gravitationnelle qui tend à leur effondrement. Compensant cette tendance, les particules du plasma qui bougent rapidement (grâce à la haute température) maintiennent la dilatation du gaz de l'étoile, ce qui équilibre les forces. Si la gravité finit par dominer, l'étoile s'effondrera sur elle-même jusqu'à atteindre une grande densité.

Séquence principale

Sous l’effet de la contraction, le noyau de l’étoile (sa partie centrale) atteint des valeurs de pression et de température extrêmes, qui vont jusqu’à l’allumage des réactions thermonucléaires (voir plus haut). L’étoile entre alors dans ce qu’on appelle la séquence principale, période pendant laquelle son noyau, initialement et essentiellement constitué d’hydrogène et d’hélium, va progressivement se transformer en hélium.

Durant cette période, l’antagonisme énergie libérée / gravitation concourt à la stabilité de l’astre : Si le flux d’énergie venant du noyau vient à diminuer, la contraction qui s’ensuit accélère le rythme de production d’énergie qui stoppe la contraction ; inversement, un emballement de la production d’énergie entraine une dilatation de l’étoile, donc son refroidissement, et l’emballement s’arrête. Ainsi, il en résulte une grande stabilité de l’étoile qui est décrite dans la théorie de la structure interne stellaire sous l’appellation « pic de Gamow » : c’est une sorte de thermostat stellaire.

Fin d’une étoile

La Nébuleuse du Crabe forme le rémanent de supernova d’une explosion observée par les astronomes d’extrême Orient en l’an 1054.

Plus une étoile est massive, plus elle consomme rapidement son hydrogène. Une grosse étoile sera donc très brillante, mais aura une courte durée de vie. Lorsque le combustible nucléaire se fait trop rare dans le noyau de l’étoile, les réactions de fusion s’arrêtent. La pression de radiation maintenue par ces réactions ne compensant plus les forces de gravitation, l’étoile s’effondre sur elle-même. Plus une étoile est grosse, plus la fin de son existence sera cataclysmique, pouvant aller jusqu’à prendre la forme d’une gigantesque explosion (supernova, voire hypernova) suivie de la formation d’une étoile à neutrons (pulsar, magnétar, etc.) voire dans les cas extrêmes (selon la masse de l’étoile) d’un trou noir.

Types d’étoiles

Les astronomes classent les étoiles en utilisant la température effective et la luminosité. Cette classification à deux paramètres permet de définir des types spectraux (luminosité) variant de VI à I, les naines étant classées V. Le Soleil est de classe V. Parmi ces classes on distingue différentes catégories liées à la température de surface. Par exemple les : naines brunes, naines rouges, naines jaunes, géantes rouges, géantes bleues, supergéantes rouges, naines blanches, étoiles à neutrons et trous noirs. Si la plupart des étoiles se placent facilement dans l’une ou l’autre de ces catégories, il faut garder en tête qu’il ne s’agit que de phases temporaires. Au cours de son existence, une étoile change de forme et de couleur, et peut passer d’une catégorie à une autre.

Naines brunes

Les naines brunes ne sont pas des étoiles, mais des objets substellaires qualifiés parfois d'« étoiles manquées ». Leur masse est située entre celles des petites étoiles et des grosses planètes. En effet, au moins 0,08 masse solaire est nécessaire pour qu’une proto-étoile amorce des réactions thermonucléaires et devienne une véritable étoile. Les naines brunes ne sont pas suffisamment massives pour démarrer ces réactions. Elles peuvent rayonner cependant faiblement par contraction gravitationnelle.

Naines rouges

Vue d’artiste d’une naine rouge.

Les naines rouges sont de petites étoiles rouges. On les considère comme les plus petites étoiles en tant que telles. Les astres plus petits comme les naines blanches, les étoiles à neutrons et les naines brunes ne consomment pas de carburant nucléaire. La masse des naines rouges est comprise entre 0,08 et 0,8 masse solaire. Leur température de surface entre 2 500 et 5 000 K leur confère une couleur rouge. Les moins massives d’entre elles (au-dessous de 0,35 masse solaire environ) sont entièrement convectives. Ces étoiles brûlent lentement leur carburant, ce qui leur assure une très longue existence. Elles sont les plus abondantes : au moins 80 % des étoiles de notre Galaxie sont des naines rouges. La plus proche voisine du Soleil, Proxima du Centaure, en est une. Il en est de même du second système stellaire le plus proche du Système solaire, l’étoile de Barnard étant aussi une naine rouge.

Naines jaunes

Le Soleil est un exemple de naine jaune.

Les naines jaunes sont des étoiles de taille moyenne — les astronomes ne classent les étoiles qu’en naines ou en géantes. Leur température de surface est d’environ 6 000 K et elles brillent d’un jaune vif, presque blanc. À la fin de son existence, une naine jaune évolue en géante rouge, qui en expulsant ses couches externes — déployant alors une nébuleuse planétaire —, dévoile une naine blanche.

Le Soleil est une naine jaune typique.

Géantes rouges

La phase géante rouge annonce la fin d’existence de l’étoile, qui atteint ce stade lorsque son noyau a épuisé son principal carburant, l’hydrogène : des réactions de fusion de l’hélium se déclenchent, tandis que le centre de l’étoile se contracte, et que ses couches externes gonflent, refroidissent et rougissent. Transformé en carbone et en oxygène, l’hélium s’épuise à son tour et l’étoile s’éteint. Les couches externes de l’astre s’éloignent et son centre se contracte, dévoilant une naine blanche.

Géantes bleues et supergéantes rouges

Sur le diagramme HR, le coin supérieur gauche est occupé par des étoiles très chaudes et brillantes : les géantes bleues. Ces étoiles très massives, au moins dix fois plus grosses que le Soleil, consomment rapidement leur hydrogène.

Lorsque le noyau d’une géante bleue ne contient plus d’hydrogène, la fusion de l’hélium prend le relais. Ses couches externes enflent et sa température de surface diminue. Elle devient alors une supergéante rouge.

L’étoile fabrique ensuite des éléments de plus en plus lourds : fer, nickel, chrome, cobalt, titane… À ce stade, les réactions de fusion s’arrêtent et l’étoile devient instable. Elle explose en une supernova et laisse derrière elle un étrange noyau de matière qui demeurera intact et qui deviendra, selon sa masse, une étoile à neutrons ou un trou noir.

Naines blanches

Une naine blanche en orbite autour de Sirius (vue d’artiste).

Une naine blanche exhalant une nébuleuse à symétrie rectangulaire, la Nébuleuse du Rectangle rouge.

Les naines blanches sont les résidus de l’évolution des étoiles de faible masse (entre ~0,8 et ~5 à 8 masses solaires). Le Soleil ayant (par définition) une masse d’une masse solaire, il finira aussi en naine blanche. Les naines blanches sont des étoiles « mortes » puisqu’elles ne sont plus le lieu de réactions thermonucléaires produisant de la chaleur. Cependant, elles sont initialement très chaudes et de couleur relativement blanche (voir Loi de Wien). Petit à petit, elles se refroidissent par rayonnement, pour devenir des astres froids. Leur taille est environ égale à celle de la Terre.

Les naines blanches, comme les étoiles à neutrons sont constituées de matière dégénérée. La densité moyenne d’une naine blanche est telle qu’une cuillère à thé de matière d’une telle étoile aurait, sur Terre, le poids d’un éléphant, soit environ 1 t·cm. En fait, dans cette matière, les électrons, étant très proches les uns des autres, commencent alors à se repousser énergiquement. Le facteur principal de la pression provient alors du principe d'exclusion de Pauli ; c’est la pression de dégénérescence qui s’oppose à celle de la gravitation. La naine blanche est donc en équilibre malgré l’absence de fusion nucléaire en son noyau. La pression des électrons peut supporter une masse de 1,44 fois celle du Soleil : c’est la limite de Chandrasekhar.

Si une naine blanche devient plus massive (en aspirant la matière d’une autre étoile, par exemple), elle explose en supernova et est largement pulvérisée en nébuleuse. C’est le type Ia des supernovas thermonucléaires.

Procyon B et Sirius B sont des naines blanches.

Naines noires

Comme une plaque chauffante qu’on éteint, les naines blanches se refroidissent inexorablement. Toutefois, cela se fait très lentement, en raison de leur surface émissive fortement réduite (de la taille d'une planète tellurique) comparée à leur masse (de l'ordre de celle du Soleil). Elles perdent peu à peu leur éclat et deviennent invisibles au bout d’une dizaine de milliards d’années. Ainsi, toute naine blanche se transforme en naine noire.

L’Univers, vieux de 13,7 milliards d’années, est encore trop jeune pour avoir produit des naines noires.

Après sa mort, le Soleil deviendra une naine blanche puis une naine noire. Ce sort l’attend dans environ 15 milliards d’années.

Étoiles à neutrons et trous noirs

Les étoiles à neutrons sont très petites mais très denses. Elles concentrent la masse d’une fois et demi celle du Soleil dans un rayon d’environ 10 kilomètres. Ce sont les vestiges d’étoiles très massives de plus de 10 masses solaires dont le cœur s’est contracté pour atteindre des valeurs de densité extraordinairement élevées, comparables à celles du noyau atomique.

Lorsqu’une étoile massive arrive en fin de vie, elle s’effondre sur elle-même, en produisant une impressionnante explosion appelée supernova. Cette explosion disperse la majeure partie de la matière de l’étoile dans l’espace tandis que le noyau se contracte et se transforme en une étoile à neutrons. Ces objets possèdent des champs magnétiques très intenses (pour les plus intenses, on parle de magnétar). Le long de l’axe magnétique se propagent des particules chargées, électrons par exemple, qui produisent un rayonnement synchrotron.

Le moment cinétique de l’étoile étant conservé lors de l’effondrement du noyau, l’étoile à neutrons possède une vitesse de rotation extrêmement élevée, pouvant atteindre le millier de tours par seconde. Si par chance un observateur sur Terre regarde dans la direction d’une étoile à neutrons et que la ligne de visée est perpendiculaire à l’axe de rotation de l’étoile, celui-ci verra alors le rayonnement synchrotron des particules chargées se déplaçant sur les lignes de champ magnétique. Ce phénomène de phare tournant s’appelle le phénomène de pulsar. On trouve des pulsars dans des restes de supernovas, le plus célèbre étant le pulsar de la nébuleuse du Crabe, né de l’explosion d’une étoile massive. Cette supernova fut observée par les astronomes chinois depuis le matin du 4 juillet 1054, en plein jour pendant trois semaines et durant la nuit pendant près de deux ans.

Parfois, le noyau de l’étoile morte est trop massif pour devenir une étoile à neutrons. Il se contracte inexorablement jusqu’à former un trou noir.

Étoiles variables

L’allure asymétrique de Mira, une étoile variable oscillante. NASA HST.

Alors que la plupart des étoiles sont de luminosité presque constante, comme le Soleil qui ne possède pratiquement pas de variation mesurable (environ 0,01 % sur un cycle de 11 ans), la luminosité de certaines étoiles varie de façon perceptible sur des périodes de temps beaucoup plus courtes, parfois de façon spectaculaire.

Systèmes stellaires

Les étoiles se forment rarement seules. Lorsqu’un nuage de gaz (proto-stellaire) donne naissance à un amas d’étoiles, l’ensemble des étoiles de cet amas ne semble pas se distribuer au hasard, mais semble suivre une loi de distribution dite fonction de masse initiale (abrégé IMF en anglais), dont on sait peu de chose actuellement ; elle rend compte de la proportion d’étoiles en fonction de leur masse. On ne sait pas si cette fonction IMF dépend de la composition chimique du nuage proto-stellaire. La fonction la plus adoptée actuellement a été proposée par Edwin Salpeter et semble donner des résultats satisfaisants pour l’étude des amas de la Galaxie.

Systèmes binaires et multiples

Les systèmes binaires sont constitués de deux étoiles liées gravitationnellement et orbitant l’une autour de l’autre. L’élément le plus brillant est dit primaire et le moins brillant, secondaire. Lorsqu’un système comporte plus de deux composantes il est qualifié de système stellaire multiple.

Les systèmes binaires peuvent être détectés par imagerie, lorsque le télescope parvient à résoudre la paire ; dans ce cas la binaire est dite visuelle. Dans d’autres cas, les deux compagnons ne peuvent être résolus, mais le décalage Doppler-Fizeau des raies spectrales permet de détecter le mouvement orbital de l’une ou des deux étoiles. Dans ce cas la binaire est dite spectroscopique. Si un seul spectre est visible et varie on parle de binaire SB1, si le spectre des deux étoiles est bien visible on parle de binaire SB2. Il est également possible de détecter le mouvement apparent dans le ciel de l’étoile binaire, qui correspond au mouvement orbital de l’étoile primaire si le secondaire est très peu lumineux ; dans ce cas la binaire est dite astrométrique. On parle enfin de binaire interférométrique lorsque le secondaire est détecté par interférométrie.

L’astronomie amateur parle de binaire apparente lorsque deux étoiles éloignées dans l’espace et non liées gravitationnellement se trouvent proches dans le ciel par effet de perspective.

Amas

Les amas stellaires sont des regroupements locaux d’étoiles liées gravitationnellement et formées en même temps. De ce fait, ils constituent une population de référence pour étudier la durée de vie d’une étoile en fonction de sa taille (voir diagramme de Hertzsprung-Russell). On peut s’en servir pour déterminer l’âge des plus vieilles populations d’étoiles de notre Galaxie.

On distingue les amas ouverts (AO) constitués de quelques dizaines à quelques milliers d’étoiles et généralement de forme quelconque et les amas globulaires (AG) constitués de plusieurs milliers à plusieurs millions d’étoiles.

Les AO sont jeunes, de quelques dizaines à quelques centaines de millions d’années. Parmi les plus vieux, M67 (4,6 milliards d’années comme le Soleil) est aussi parmi les plus gros. Dans notre galaxie, les AO sont riches en métaux (typiquement comme le Soleil). Les AG sont de forme sphérique d’où leur nom. Leurs étoiles sont pauvres en métaux et ils comptent parmi les objets les plus vieux de la Galaxie. Ils se répartissent dans le sphéroïde de la Galaxie qu’on appelle le halo. Leur âge est compris entre environ 10 et 13,5 milliards d’années. Omega du Centaure est parmi les plus gros. Sa population stellaire n’est pas unique ce qui montre qu’il a eu une origine étalée dans le temps permettant la formation de plusieurs d’entre elles (au moins trois). Il est considéré comme pouvant être le résidu d’une galaxie naine ayant été capturée par la Voie lactée. NGC 6397 est au contraire un amas à population stellaire unique avec une abondance en métaux d’un centième de celle du Soleil. L’AG le plus pauvre en métaux connu est M92 avec presque un millième de l’abondance solaire.

Associations

Les associations stellaires sont semblables aux amas, à ceci près qu’elles ne constituent pas un système lié gravitationnellement. Aussi les associations se dispersent-elles au bout d’un certain temps. Exemple d’association : les associations O-B constituées principalement d’étoiles très massives et très chaudes. On peut les considérer comme des petits amas ouverts très jeunes présentant encore beaucoup de gaz ionisé dans le voisinage des étoiles. On les rencontre dans notre Galaxie principalement dans les bras.

Galaxies

Une galaxie est un vaste ensemble d’étoiles. Les galaxies diffèrent des amas par leur taille (plusieurs centaines de milliards d’étoiles contre quelques milliers à quelques millions pour les amas stellaires), leur organisation et leur histoire.

Constellations

En observant le ciel nocturne, l’être humain a imaginé que les étoiles les plus brillantes pouvaient constituer des figures. Ces regroupements diffèrent généralement d’une époque à une autre et d’une civilisation à une autre. Les figures devenues traditionnelles, souvent en rapport avec la mythologie grecque, sont appelées constellations.

Les étoiles d’une constellation n’ont a priori rien en commun, si ce n’est d’occuper, vues de la Terre, une position voisine dans le ciel. Elles peuvent être très éloignées les unes des autres. Toutefois, l’Union astronomique internationale a défini une liste normalisée des constellations, attribuant à chacune une région du ciel, afin de faciliter la localisation des objets célestes.

Systèmes planétaires

Les étoiles peuvent être accompagnées de corps gravitant autour d’elles. Ainsi, le Système solaire est composé d’une étoile centrale, le Soleil, accompagné de planètes, comètes, astéroïdes. Depuis 1995, près de 900 planètes ont été découvertes autour d’autres étoiles que le Soleil, faisant perdre au Système solaire son caractère supposé unique. Tous ces systèmes planétaires sont découverts de façon indirecte. La première étoile autour de laquelle des planètes ont été révélées par des mesures vélocimétriques est 51 Peg (observations réalisées à l’OHP avec le spectrographe ÉLODIE). De nombreux autres systèmes planétaires ont depuis été découverts. En raison des limitations actuelles de détection, ils présentent des caractéristiques semblables, avec des planètes géantes sur des orbites très excentriques : on les nomme des « Jupiter chauds ». La majorité de ces étoiles sont plus riches en métaux que le Soleil. Les statistiques sur ces systèmes planétaires permettent de conclure que le Système solaire n’a pour l’instant pas d’équivalent. Depuis l’espace, la traque des systèmes planétaires par photométrie a commencé avec le satellite CoRoT (CNES). Celui-ci a été relayé en 2009 par le satellite américain Kepler.

在大麦哲伦云的一个恒星形成区。

假色影像的太阳，它是最接近地球的G型主序星。

恒星是由引力凝聚在一起的一颗球型发光电浆体，太阳就是最接近地球的恒星。在地球的夜晚可以看见的其他恒星，几乎全都在银河系内，但由于距离遥远，这些恒星看似只是固定的发光点。历史上，那些比较显著的恒星被组成一个个的星座和星群，而最亮的恒星都有专有的传统名称。天文学家组合成的恒星目录，提供了许多不同恒星命名的标准。

至少在恒星生命的一段时期，恒星会在核心进行氢融合成氦的核融合反应，从恒星的内部将能量向外传输，经过漫长的路径，然后从表面辐射到外太空。一旦核心的氢消耗殆尽，恒星的生命就即将结束。有一些恒星在生命结束之前，会经历恒星核合成的过程；而有些恒星在爆炸前会经历超新星核合成，会创建出几乎所有比氦重的天然元素。在生命的尽头，恒星也会包含简并物质。天文学家经由观测其贯穿间的运动、亮度和光谱，确知一颗恒星的质量、年龄、化学元素的丰度，和许多其它属性。一颗恒星的总质量是恒星演化和决定最终命运的主要因素：恒星在其一生中，包括直径、温度和其它特征，在生命的不同阶段都会变化，而恒星周围的环境会影响其自转和运动。描绘众多恒星的温度相对于亮度的图，即赫罗图（H-R图），可以让我们测量一颗恒星的年龄和演化的状态。

恒星的生命开始于主要由氢、氦，还有其它可察觉的微量重元素组成的气体云引力坍缩。一旦核心有了足够的密度，氢融合成氦的核融合反应就可以稳定的持续进行，释放过程中产生的能量，恒星就生成了。恒星内部的其它部分会进行组合，形成辐射层和对流层，将能量向外传输；恒星内部的压力能防止其因自身的重力继续向内坍缩。一旦耗尽了核心的氢燃料，质量大于0.4太阳质量的恒星，会膨胀成为一颗红巨星，在某些情况下，在核心或核心周围的壳层会融合成更重的元素。然后这颗恒星会演化出简并型态，并将一些物质回归至星际空间的环境中。这些释放至间中的物质有助于形成新一代的恒星，它们会含有比例较高的重元素。与此同时，核心成为恒星残骸：白矮星、中子星、或黑洞（如果它有足够庞大的质量）。

联星和多星系统包含两颗或更多受到引力束缚的恒星，通常彼此都在稳定的轨道上各自运行着。当这样的两颗恒星在相对较近的轨道上时，其间的引力作用可以对它们的演化产生重大的影响。恒星可以构成更巨大的引力束缚结构，像是星团或是星系。

观测简史

自古以来，人们就将恒星组成图形，这是约翰·赫维留在1690年描绘的狮子座。 肉眼可以看见的狮子座（已添加星座连接）。 人类对恒星的观测历史悠久。古埃及以天狼星在东方地平线的出现，预示尼罗河泛滥的日子。中国商朝就设立专门官员观测大火在东方的出现，确定岁首的时刻，与作物播种与收割并列在卜辞中。而中国明朝的航海家们则利用航海九星来判断方向。美国的阿波罗11号飞船设有光学定位仪，利用恒星来确定位置。 在历史上，恒星在世界各地的文明中都曾占有重要的地位，它们被作为宗教上的实践并用于天文导航上指示方向。许多古代的天文学家都相信恒星被固定在永恒的天球上（球形的天空），并且永远不会变化。经由相约成俗，天文学家将一群一群的恒星集合组成星座，并且用它们来追踪行星在天空中的运动和臆测太阳的位置。太阳在星空背景（和地平线）被用来创造了历法，可以用来实践农业的调控。现在几乎全球都在使用的格里历就是依据最靠近地球的恒星，太阳为基础创建的。. 最古老的，标有精确日期的星图出现在西元前1534年的古埃及。伊斯兰天文学家为许多恒星取的阿拉伯文名称一直到今天都还在使用，他们还发明了许多天文仪器可以测量和计算恒星的位置。在11世纪，阿布·拉伊汉·比鲁尼描述银河系像是由有恒星的云气组成的许多碎片，在1019年的月食也测量了一些恒星的纬度。 中国至晚在春秋时期已了解恒星是由气体构成（参见杞人忧天）， 并知道还是有新的恒星可能出现。早期的一些欧洲天文学家，像是第谷，就在夜空中辨认出一颗新的恒星（后来称为新星），因此认为天空不是永恒不变的。在1584年，焦尔达诺·布鲁诺认为恒星像太阳一样，也可能有其他行星，甚至有像地球一样的，环绕着它们，古代的希腊哲学家德谟克利特和伊比鸠鲁也曾经提出和他一样的想法。在进入下个世纪前，天文学家已经取得了一致的看法，认为恒星是遥远的太阳。神学家李察·宾特利质疑这些恒星为何没有对太阳系施加万有引力，艾萨克·牛顿解释认为在每个方向分布的恒星将引力彼此互相抵销掉了。 意大利天文学家Geminiano Montanari在1667年观测和记录了大陵五的光度变化，爱德蒙·哈雷出版一对邻近"恒星"自行的测量报告，显示出从古希腊天文学家托勒密和喜帕恰斯迄今，它们的位置已经改变了。白塞尔在1838年首度利用视差的技术测出一颗恒星（天鹅座61）的距离是11.4光年，显示了天空的广大和**距离的遥远。 威廉·赫歇尔是第一位尝试确定恒星在天空中分布状态的天文学家。在1780年代，他用量测器对600个方向进行了一系列的测量，计算沿着视线方向可以看见的恒星数目。透过这样的研究，他推论出恒星的数量平稳的向着天空的一侧增加，这个方向就是银河的中心。他的儿子约翰·赫歇尔在南半球的天空重复他的研究，也得到向着同一方向增加的相同结果。除了这些还有其他的成就，威廉·赫歇尔还注意到有些恒星不仅是在相同的方向上，彼此之间还是物理上的伙伴形成了联星系统。 约瑟夫·夫琅禾费和安吉洛·西奇开创了科学的恒星分光学，经由比较天狼星和太阳的光谱，他们发现有不同数量和强度的吸收谱线—恒星光谱中黑暗的谱线是由大气层吸收特定频率的波长造成的。西奇从1865年开始分依据光谱类型对恒星做分类。不过，现代的恒星分类系统是安妮·坎农在1900年代创建的。 在19世纪双星观测所获得的成就使重要性也增加了。在1834年，白塞尔观测到天狼星自行的变化，因而推测有一颗隐藏的伴星；爱德华·皮克林在1899年观测开阳周期性分裂的光谱线时发现第一颗光谱双星，周期是104天。天文学家斯特鲁维和S. W. Burnham仔细的观察和收集了许多联星的数据，使得可以从被确定的轨道要素推算出恒星的质量。第一个获得解答的是1827年由Felix Savary透过望远镜的观测得到的联星轨道。 对恒星的科学研究在20世纪获得快速的进展，相片成为天文学上很有价值的工具。卡尔·史瓦西发现经由比较视星等和摄影星等的差别，可以得到恒星的颜色和它的温度。1921年，光电光度计的发展可以在不同的波长间隔上非常精密的测量星等。阿尔伯特·迈克耳孙在虎克望远镜第一次使用干涉仪测量出恒星的直径。 在20世纪的第一个十年里，恒星物理概念性的重要工作开始进展。在1913年，赫罗图发展出来，推动了恒星在天文物理上的研究。解释恒星内部和恒星演化的模型被成功的发展出来；恒星光谱也因为量子物理学的进展而得以成功的解释；恒星大气中的化学成分也能够被确定。 除了超新星之外，各别的恒星都在我们的银河系所在的本星系群中被观测到，特别是在可以看见的银河部分（如同展示我们的银河系可以利用 的详细星表）。但是有些距离地球一亿光年远，在室女座星系团M100星系内的恒星也被观测到。在本超星系团也有一些星团被观测到，并且现代的望远镜原则上可以观察到本星系群内单独的微弱恒星—被解晰出来最遥远的恒星距离在一亿光年（参见造父变星）。然而在本超星系团之外的星系中，无论是单独的恒星或星团都未曾被观测过，唯一的例外是在十亿光年外的一个拥有数十万颗恒星的巨大星团曾留下微弱的影像—距离十倍于以前曾观测过最遥远的星团。

恒星命名

这张图中的蓝色恒星是所谓的蓝掉队星，它们是出现在赫罗图上的左上角。 中国 每一颗恒星都要给它取一个独特的名字，才能够便于研究和识别。中国在战国时代起已命名肉眼能辨别到的恒星或是以它所在星官（包括三垣以及二十八宿）命名，如天关星、北河二、心宿二等；或是根据传说命名，例如织女星（织女一）、牛郎星（河鼓二）、老人星等，构成一个不严谨的独立体系。 西方 星座的概念在巴比伦时期就已经存在，古代的观星人将哪些比较显著的恒星和自然或神话等特定的景物结合，想像成不同的形状，和与它们相关形象的性质或神话。位于黄道带上的12个星座就成了占星学的依据。许多明显的单独恒星也被赋予专属的名字，特别是以阿拉伯文和拉丁文标示的名称。 除了某些星座和太阳本身，有些个别的恒星也有自己的神话。它们被认为是亡者或神的灵魂，例如大陵五就代表着蛇发女怪美杜莎。 在古希腊，已经知道有些星星是行星（希腊文：πλανήτης (planētēs)，意思是“漫游者”），代表着各式各样重要的神祇，这些行星的名字是水星、金星、火星、木星、和土星（天王星和海王星虽然也是希腊和罗马神话中的神祇，但是它们的光度暗淡，因此古代人并未发现，它们的名字是后来才由天文学家命名的。）。 大约在1600年代，星座的名称、范围以及恒星的名字还是由各个地区自己命名的。1603年，德国天文学家约翰·拜耳创造了以希腊字母串行与星座结合的拜耳命名法，为星座内的每一颗恒星命名。然后英国天文学家约翰·佛兰斯蒂德发明出了依据赤经数值的数字系统命名法，使用在它的星表"Historia coelestis Britannica"（在1712出版），这就是佛兰斯蒂德命名法或佛氏数字法。从此以后许多其他的系统的星表都被创造出来。 其他 国际公认唯一能够为恒星或**命名的权威机构是**（IAU，International Astronomical Union）。但是，世界各地有许多私人公司出售恒星的名字，大英图书馆称这些是不道德的企业。不过，国际天文**合会本身不会从事这种商业行为，这些公司售出的名称不会被认可，也不会被使用。其中一间名为International Star Registry的公司，在1980年代被指控诈欺，不实的让民众误以为购买的恒星名称可以得到官方认可。现在，ISR的这种作法已经被正式粘贴标签，是一种骗局和诈欺的行为；纽约市消费者事务部也发出ISR的做法是违法从事欺骗贸易。

数量

天文学家对宇宙中恒星的数量一直有不同的估算。最著名的一个说法是美国天文学家卡尔·萨根在他的著作《千亿的千亿》中提出的一个猜测，认为宇宙中有1000亿个星系，每个星系有1000亿个恒星。而据此天文学家又进一步推测各星系恒星数量约为1000亿的一万亿倍。美国天文学家彼得·范·多昆和**物理学家查理·康罗伊对来自星系的光强度分析后认为大约有3X10。

测量的单位

多数恒星的参数被用SI单位来表示，但是有时也会采用CGS单位（像是使用尔格/秒来表示光度）。质量、光度和半径通常都会以太阳为单位，创建在太阳的特性上： 太阳质量： 公斤 太阳光度： 瓦特 太阳半径： 米 巨大的长度，像是巨星的半径或是联星系统的半长轴，经常会用天文单位—地球和太阳的平均距离来表示，大约是一亿五千万公里或九千三百万英里。

形成和演化

非常低质量的恒星：质量少于0.5太阳质量的恒星不会演化进入渐近巨星分支（AGB），但是会直接成为白矮星。

低质量恒星（包括太阳）是质量超过0.5太阳质量，但未超过1.8-2.2太阳质量的恒星，会演化进入AGB（依据它们的组成），在那儿演化出简并的氦核

中等质量恒星会经历氦融合和演化出简并的碳-氧核。

大质量恒星的质量至少是7-10太阳质量，但也可能低至5或6太阳质量。这些恒星在生命的后期经过碳融合，并以核心坍缩的超新星爆炸结束一生。

分布

在轨道上环绕着天狼星的白矮星（艺术想像图）NASA的影像 除了单独的恒星之外，恒星系统可以是两颗或更多的恒星受到重力的约束而在轨道上互绕着。最普通的恒星系统就是联星，但是也发现有三颗或更多恒星的系统。而因为轨道要稳定的缘故，这些恒星系统经常会形成阶级制度的共轨恒星。也存在着更大的、被称为星团的集团。他们的范围从只有几十颗恒星，松散的星协，到庞大的拥有数十万颗恒星，称为球状星团的集团。 这是一个长久以来就存在的假设，大多数的恒星都是长期处在特定引力场的多星或联星系统。特别是许多大质量的O和B型恒星，有80%被认为是多星系统的一部分。然而，质量越低的恒星，单独存在的比例显然越高，只有25%的红矮星被发现有伴星。因为85%的恒星是红矮星，所以在银河系内多数的恒星都是单独诞生的。 恒星在宇宙中的分布是不均匀的，并且通常都是成群的与星际间的气体、尘埃一起存在于星系中。一个典型的星系拥有数千亿颗的恒星，而在可观测宇宙中的星系数量超过一千亿个（10）。2010年对恒星数量的估计是在可观测宇宙中有3000垓（3 × 10）颗。尽管人们往往认为恒星仅存在于星系中，但星系际的恒星已经被发现了。 除了太阳之外，最靠近地球的恒星是半人马座的毗邻星，距离是39.9兆（10）公里，或4.2光年。光线从半人马座的比邻星要4.2年才能抵达地球。在轨道上绕行地球的航天飞机（速度约为8公里/秒，时速约30,000公里），需要150,000年才能抵达那儿。包括邻近太阳系的地区，像这样的距离，在星系盘中是很典型的。在星系的中心和球状星团内，恒星的距离会比较接近，而在星晕中的距离则会更遥远。 由于相对于星系的中心，恒星的距离是非常开阔的，因此恒星的相互碰撞是非常罕见的。但是在密集的区域，像是球状星团或星系的核心，恒星碰撞则很常见。这样的碰撞会形成所知的蓝掉队星，这些异常的恒星比在同一星团中光度相同的主序星有着更高的表面温度。

特征

太阳是最靠近地球的恒星。 恒星的一切几乎都取决于它最初的质量，包括本质特征，例如光度和大小，还有演变、寿命和最终的命运。 年龄 多数恒星的年龄在10亿至100亿岁之间，有些恒星甚至接近138亿岁 －可观测宇宙的年龄。目前发现最古老的恒星是HD 140283，暱称玛土撒拉的恒星，估计的年龄是144.6 ± 8亿岁（由于具有不确定性，在数值上，这颗恒星的年龄与宇宙年龄并不冲突。由普朗克卫星测量的年龄是137.98 ± 0.37亿岁。） 质量越大的恒星，寿命越短暂，主要是因为质量越大的恒星核心的压力也越高，造成燃烧氢的速度也越快。许多大质量的恒星平均只有数百万年的寿命，但质量最轻的恒星（红矮星）以很慢的速率燃烧它们的燃料，寿命至少有数兆年。 化学组成 “从化学家的角度来看，无论是恒表面或内部……都很无趣 －那儿没有分子存在。”--Roald Hoffmann 当恒星在目前的银河系中形成，它们的组成是约71%的氢和27%的氦。以质量测量时，会有着小比例的重元素。因为铁是很普通的元素，而且相对而言很容易测到它的谱线，因此典型的重元素测量是根据恒星大气层内铁含量；更重元素的成份或许可以是有无行星系统的一个指标。 被测量过的恒星中含铁量最低的是矮星HE1327-2326，铁的比率只有太阳的廿万分之一。对照之下，金属量较高的是轩辕十（狮子座μ），铁丰度是太阳的一倍，而另一颗有行星的七公增十三则几乎是太阳的三倍。也有些化学元素与众不同的特殊恒星，在它们的谱线中有某些元素的吸收线，特别是铬和稀土元素 。 直径 由于和地球的距离遥远，除了太阳之外的所有恒星在肉眼浅来都只是夜空中的一个光点，并且受到大气层的影响而闪烁着。太阳也是恒星，但因为很靠近地球所以不仅看起来呈现圆盘状，还提供了白天的光线。除了太阳之外，看起来最大的恒星是剑鱼座R，它的是直径是0.057角秒。 我们对恒星的了解大多数来自理论的模型和仿真，而这些理论只是创建在恒星光谱和直径的测量上。除了太阳之外，首颗被测量出直径的恒星是参宿四，是由阿尔伯特·迈克耳孙在1921年使用威尔逊山天文台100吋的虎克望远镜完成（约450个太阳直径）。 对地基的望远镜而言，绝大多数的恒星盘面都太小而无法察觉其角直径，因此要使用干涉仪望远镜才能获得这些恒星的影像。另一种测量恒星角直径的技术是掩星：这种技术精确的测量被月球掩蔽时光度减弱的过程（或再出现时光度回升的过程），依此可以计算出恒星的视直径。 恒星的尺寸，从小到只有20公里到40公里的中子星，到像猎户座参宿四的超巨星，直径是太阳的650倍，大约9亿公里，但是密度比太阳低很多 。 动能 一颗恒星相对于太阳运动可以提供这颗恒星的年龄和起源的有用信息，并且还包括周围的星系结构和演变。一颗恒星运动的成分包括径向速度是接近或远离太阳，和横越天空的角动量，也就是所谓的自行。 径向速度是由恒星光谱中的都卜勒位移来测量，它的单位是公里/秒。恒星的自行是经由精密的**测量来确认，其单位为百万分之一弧秒（mas）/年。经由测量恒星的视差，自行可以换算成实际的速度单位。恒星自行速率越高的通常就是比较靠近太阳，这也使高自行的恒星成为视差测量的理想候选者。 一旦两种运动都已测出，恒星相对于太阳恒星系的空间速度就可以算出来。在邻近的恒星中，已经发现第一星族的恒星速度通常比较老的第二星族的恒星低，而后者是以倾斜于平面的椭圆轨道运转的。比较邻近恒星的动能也能导出和证明星协的结构，它们就像起源于同一个巨大的分子云**同向着同一个点运动的一群恒星。 磁场 以平均的塞曼-都卜勒成像重建的御夫座SU（一颗**的金牛座T型星）表面的磁场。 恒星的磁场起源于恒星内部对流的循环开始产生的区域。具有导电性的电浆像发电机，引起在恒星中延伸的磁场。磁场的强度随着恒星的质量和成分而改变，表面磁性活动的总量取决于恒星自转的速率。表面的活动会产生星斑，是表面磁场较正常强而温度较正常低的区域。拱型的星冕圈是从磁场活跃地区进入星冕的光环，星焰是由同样的磁场活动喷发出的高能粒子爆发的现象。 由于磁场的活动，**、高速自转的恒星倾向于有高度的表面活动。磁场也会增强恒星风，然而自转的速率有如闸门，随着恒星的老化而逐渐减缓。因此，像太阳这样高龄的恒星，自转的速率较低，表面的活动也较温和。自转缓慢的恒星活动程度倾向于周期性的变化，并且可能在周期中暂时停止活动。像是蒙德极小期的例子，太阳有大约70年的时间几乎完全没有黑子活动。 质量 船底座η是已知质量最大的恒星之一，约为太阳的100–150倍，所以其寿命很短，最多祇有数百万年。依据对圆拱星团（Arches cluster）的研究，认为在现在的宇宙应该有质量是太阳150倍的大质量恒星存在，但在实际上却未能寻获。虽然这个极限的原因仍不清楚，但爱丁顿光度给了部份答案，因为它定义了恒星在不抛出外层大气层下所能发射至空间的最大光度。 反射星云NGC 1999是被猎户座V380（位于中心）照亮的，这颗变星的质量大约是3.5太阳质量。NASA影像 在大霹雳后最早诞生的那一批恒星质量必然很大，或许能达到太阳的300倍甚至更大，由于在它们的成分中完全没有比锂更重的元素，这一代超大质量的恒星应该已经灭绝，第三星族星目前只存在于理论中。 剑鱼座AB A的伴星剑鱼座AB C，质量只有木星的93倍，是已知质量最小，但核心仍能进行核融合的恒星。金属量与太阳相似的恒星，理论上仍能进行核融合反应的最低质量估计质量大约是木星质量的75倍。当金属量很低时，依目前对最暗淡恒星的研究，发现尺寸最小的恒星质量似乎只有太阳的8.3%，或是木星质量的87倍。再小的恒星就是介乎于恒星与气体巨星之间的灰色地带，没有明确定义的棕矮星。 结合恒星的半径和质量可以确定恒星表面的重力，巨星表面的重力比主序星低了许多，而相较于简并下的状态，像是白矮星，表面重力则更为强大。表面重力也会影响恒星的光谱，越高的重力所造成吸收谱线的变宽越明显. 质量下限 恒星的质量是有限制的。据计算，如果一颗恒星的质量小于0.07个太阳质量，它便失去了作为恒星的资格。 如果非常小的原恒星温度不能达到足够开始氢的核聚变反应，它们会成为褐矮星。 自转 恒星的自转可以透过分光镜概略的测量，或是追踪星斑确实的测量。**恒星会有很高的自转速度，在赤道可以超过100公里/秒。例如，B型的水委一在自转的赤道速度就高达225公里/秒甚至更高，使得赤道半径比极赤道大了50%。这样的速度仅比让水委一分裂的临界速度300公里/秒低了一些。相较之下，太阳以25 – 35天的周期自转一圈，在赤道的自转速度只有1.994公里/秒。恒星的磁场和恒星风对主序带上恒星的自转速率的减缓，在演变有着重要的影响。 致密星压缩成非常致密的物质，同时造成高速的自转。但是相较于它们在低自转速速的状态由于角动量守恒，—一个转动的物体会以增加自转的速率来补偿尺寸上的缩减，而绝大部分消散的角动量是经向外吹拂恒星风带走的。无论如何，波霎的自转是非常快速的，例如在蟹状星云核心的波霎，自转速率为每秒30转。波霎的自转速率会因为辐射发射而减缓。 温度 在主序带上恒星的表面温度取决于核心能量生成的速率和恒星的半径，并且可以使用色指数来估计。它通常被作为有效温度，也就是被理想化的黑体在表面辐射出的能量使单位表面积有着相同的光度时所对应的温度。然而要注意的是有效温度只是一个代表的数值，因为实际上恒星的温度从核心表至面是有随着距离增加而减少的梯度，在核心区域的温度通常都是数百万度K。 恒星的温度可以确定不同元素被电离或被活化的比率，结果呈现在光谱吸收线的特征。恒星的表面温度，与他的目视绝对星等和吸收特点，被用来作为恒星分类的依据（参见下面的#分类）。 大质量的主序星表面温度可以高达50,000 K，像太阳这种较小的恒星表面温度就只有几千度。相对来说，红巨星的表面只有3,600 K的低温，但是因为巨大的表面积而有高亮度。

辐射

恒星产生的能量，是核融合的副产品，以电磁辐射和质点辐射的辐射热进入太空。质点辐射（它们稳定的存在于气流中，包括来自恒星外层的自由质子、α粒子、和β粒子）经由恒星风来散发，还有来自核心的微中子也稳定的存在于恒星风内。 在核心产生的能量是如何使恒星如此的明亮：任何时间当某种元素的两个或更多的原子核融合在一起，组合成一种更重的新元素时，γ射线和光子经由核反应被释放出来。当这些能量抵达表面的数层时，已经被转换成包括可见光等其他各种形式的电磁能。 恒星的颜色，以可见光频率的峰值来测量，与恒星最外层，包括光球层的温度有关。除了可见光，恒星还辐射出其他肉眼看不见的电磁波辐射。事实上，恒星的电磁波辐射涵盖了整个的电磁波频谱，从波长最长的无线电波和红外线到最短的紫外线、X射线和γ射线。恒星电磁波辐射的组成，包括可见和不可见的，都很值得注意。 使用恒星光谱，天文学家可以测量恒星的表面温度、表面重力、金属量和自转的速度。如果知道恒星的距离，例如通过视差的测量，就可以推导出恒星的光度。质量、半径、表面重力、和自转周期都是创建在恒星模型的估计上（在联星系统的恒星质量可以直接测量），重力微透镜的技术可以直接测量恒星的质量)。有了这些参数，天文学家可以估计恒星的年龄 光度 在天文学，光度是一个**在单位时间内辐射的光和其他形式辐射能的总和，恒星的光度取决于恒星的半径和表面温度。但是许多恒星表面辐射的流量是不均匀的—总能量是单位面积的能量乘上整个表面积。以快速自转的织女星为例，它的极辐射的能量流量就比赤道为多。 恒星表面的星斑辐射出的能量和温度都低于平均值。小的，像太阳这样的矮星，通常表面除了星斑之外就没有其他的特征；大的巨星则有较大和较明显的星斑，它们也有较强烈的周边昏暗现象，也就是说光度会由恒星圆盘面中心向边缘逐渐减弱。红矮星的闪光星，像是鲸鱼座UV，可能拥有明显的星斑特征。 星等 恒星的视亮度是测量所得的视星等，这种亮度是与恒星的发光度、到地球的距离，和穿过地球的大气层所受到的改变有关。内在的或绝对星等是恒星在距离地球10秒差距（32.6光年）所呈现的视星等，只与恒星的发光度有关。 亮度超过的; 恒星数目 视星等 恒星的 数目 0 4 1 15 2 48 3 171 4 513 5 1,602 6 4,800 7 14,000 视星等和绝对星等的标尺都是对数单位：每一个相邻的整数数值的光度变化都是相差2.5倍（100的五次方根值近似于2.512）。这意思就是一等星（+1.00）的亮度是二等星（+2.00）的2.5倍，并且是六等星（+6.00）的100倍。在视相度良好的条件下肉眼可以看见的最暗星就是六等星。 在视星等和绝对星等的亮度标尺上，都是数值越小的恒星越亮，数值越大的亮度越暗。无论在那一种标尺下最亮的都是负数值的星等。两颗恒星之间的亮度差是亮星（mb）的星等减去暗星（mf）的星等，然后使用2.512做对数的基底取方次；也就是说 光度差 相对于发光度和地球的距离，绝对星等（M）和视星等（m）对单独的恒星通常都是不同的，例如，明亮的天狼星视星等为−1.44，但它的绝对星等是+1.41。 太阳的视星等是−26.7，但它的绝对星等只有+4.83。天狼星从地球上看是最亮的恒星，发光度大约是太阳的23倍；而在夜空中第二亮的恒星是老人星，绝对星等是−5.53，比太阳亮了14,000倍。尽管老人星实质上比天狼星要亮许多，但是看起来是天狼星比较亮，这是因为天狼星与地球的距离是8.6光年，而老人星远了许多，与地球的距离是310光年。 在2006年，绝对星等最亮的恒星是LBV 1806-20，亮度是−14.2等，至少比太阳亮约5,000,000倍。最暗淡的恒星则是在NGC 6397星团内的一颗，在星团内的这颗红矮星绝对星等为+26等，同时最暗的白矮星光度是+28等。如此黯淡的光度相当于从地球上观看一枝在月球上点亮的生日蜡烛。

分类

表面温度范围 不同的恒星分类 分类 温度 例子 O 33,000 K or更高 弧矢增二十二 B 10,500–30,000 K 参宿七 A 7,500–10,000 K 牛郎星 F 6,000–7,200 K 南河三A G 5,500–6,000 K 太阳 K 4,000–5,250 K 印第安座ε星 M 2,600–3,850 K 半人马座比邻星 目前所用的恒星分类系统源起于20世纪初期，当时是以氢的谱线从A排列至Q，那时还不知道温度是影响谱线最主要的因素，而当依照温度重新排列时，就与现在使用的完全一致了。 根据恒星光谱的差异，以不同的单一字母来表示类型，O型是温度最高的，到了M型，温度已经低至分子可能存在于恒星的大气层内。依据温度由高至低，主要的类型为：O、B、A、F、G、K和M，各种各样罕见的光谱类型还有特殊的分类。最常见的特殊类型是L和T，是温度最低的低质量恒星和棕矮星。每个字母还以数字从0至9，以温度递减再分为10个细分类。然而，这个系统在极端高温的一端仍不完整：迄今还没有被分类为O0和O1的恒星。 另一方面，也发现恒星的谱线恒星可以根据光度作用再分类，这对应到它们在空间的大小和表面的重力。它们的范围从0（超巨星）经过III'（巨星）到V（主序带矮星）和VII（白矮星）。大部分的恒星都属于主序带，这是在绝对星等和光谱图（赫罗图）的对角在线窄而长的范围，包含在其中的都是进行氢燃烧的恒星。我们的太阳是主序带上分类为G2V的黄色矮星，是一般平常的大小和温度中等的恒星。太阳被作为恒星的典型样本，并非因为它很特别，只因它是离我们最近的恒星，且其它恒星的许多特征都能以太阳作为一个单位来加之比较。 附加于光谱类型之后的小写字母可以显示出光谱的特殊性质。例如，“e”表示有发射谱线，“m”代表金属的强度异常，“var”意味着光谱的类型会改变。。 白矮星有自己专属的分类，均以字母D为首，再依据光谱中最明显的谱线特征细分为DA、DB、DC、DO、DZ、和DQ，还可以附随一个依据温度索引的数值。

变星

外型不对称的米拉是一颗胀缩型的变星。NASA哈伯太空望远镜的影像 变星是因为内部或外在的原因，造成光度周期性或任意变化的恒星。内在原因的变星，主要的类型可以被分入三个主要的群组。 在恒星演化的期间，有些恒星会经过胀缩型变星的阶段。胀缩型变星会随着时间改变半径和亮度，根据恒星的大小，膨胀和收缩的周期可以从数分钟到数年。这些类型包括造父变星和类造父变星、长周期的米拉变星。 激变星可能是由于闪光或质量的抛射，光度突然间增加的变星。这一群包括原恒星、沃夫-瑞叶星和闪光星，并且都是巨星和超巨星。 巨变或爆炸的变星进行的是惊天动地的变化，这一群包括新星和超新星。拥有一颗邻近白矮星的联星系可能会导致这一类型中壮观爆炸的某种类型，包括新星和Ia超新星。当白矮星从伴星吸积氢时，会使质量增加导致氢进行核融合。有些新星会一再的爆发，还具有周期性和适度的强度。 恒星也会因为外在的因素造成光度的变化，像是食双星，还有极端的情形是由恒星自转导致星斑造成变光。值得一提的食变星例子是大陵五，它在2.87天的周期中，光度规则的在2.3至3.5等之间变化着。

结构

一颗稳定的恒星内部是在流体静力平衡的状态下：在任何一个小体积内的力量相互之间几乎确定都是完全平衡的。平衡的力是向内的万有引力和恒星内部由于压力梯度产生向外的压力。压力梯度是由电浆体的温差创建的，因为外面的部份温度会比内部核心的低。主序星或巨星的核心温度至少有10K，这样的温度在主串行恒星的核心要燃烧氢进行核融合反应是绰绰有余的，并且能产生足够的能量防止恒星进一部的崩溃。。 在核心的原子核融合时，产生的能量会以γ射线辐射出去。这些光子与包围在周围的电浆体交互作用，增加了核心的温度。在主序代的恒星将氢转换成氦，缓慢但是稳定的增加核心内氦的比率。最后，氦成为核心最主要的成分，并且核心不再产生能量。取代的是，质量大于0.4太阳质量的恒星，核融合慢慢的在包围着氦核心的氢壳层扩展开来。 除了流体静力平衡之外，在稳定的恒星内部也要维持着热平衡的能量平衡。在内部的辐射温度梯度造成热能向外流动。在任何一层向外流出的能量，与邻接其下方那一层向外发送的能量是完全相等的。 这张图显示太阳类型恒星的剖面结构。 辐射层是在恒星内部能以辐射充分且有效率发送能量的区域，在这个区域内电浆没有任何的扰动，也不会任何质量的运动。如果不是这样，电浆就会变得不稳定，并且开始产生对流运动成为对流层。这种情况很可能发生，例如，在某一个区域产生了非常高的能量流动，例如在核心区域或在外面非常不透明的包层附近。 主序带上的恒星能否在外面的包层产生对流，主要取决于恒星的质量。质量是太阳数倍的恒星有着深入恒星内部的对流层而辐射层在外面。较小的恒星，像太阳这样的则正好相反，是对流层在外面。红矮星的质量低于0.4太阳质量，整个都是对流层，阻止了氦在核心堆积成氦核多数恒星的对流层都会随着恒星老化而改变内部的结构和发生变化。 恒星能够让观测者看见的部份是光球层，这是恒星的电浆体变得透明可以用光子发送能量的一层。在此处，从核心传递过来的能量变成可以自由进入太空中的光子，因此在光球层上的太阳黑子，或是温度低于平均值的区域，就会出现。 在光球层之上是恒星大气层。像太阳这种在主序带上的恒星，最低层的大气是色球层，针状体和闪焰会出现在这儿。包围在外面的是过渡区，温度在不到100公里的距离内很快的窜升，在上面就是日冕，由大量高热的电浆体组成，巨大的体积可以向外伸展出数百万公里。日冕的存在看来是依靠着恒星外面数层的对流区域。尽管它的温度很高，日冕只发出微弱的光。太阳的日冕平常只有在日全食的时候才能看见。. 从日冕吹出的恒星风是来自恒星的电浆质点，会继续向外扩张直至遭遇到星际物质。对太阳而言，受到太阳风扩张影响所及的气泡状范围称为太阳圈。

核融合反应路径

质子-质子链的回顾 碳氮氧循环 做为恒星核合成的一部份，依据恒星的质量和内部结构，在核心内会发生各种不同的核融合反应。原子在融合后的净质量会略小于融合前的原子质量总和，这些失去的质量，依照质能等价的关系：E = mc².，被转换成能量。 氢融合的反应对温度极端敏感，所以核心的温度只要有少量的改变，反应速率就会有明显的变化结果。主序星的核心温度可以从质量最低的M型恒星的400万K到大质量的O型恒星的4,000万K.。 在太阳，核心温度是1,000万K，氢进行的是质子-质子链反应： 4H → 2H + 2e + 2νe（4.0 MeV + 1.0 MeV） 2H + 2H → 2He + 2γ (5.5 MeV) 2He → He + 2H (12.9 MeV) 这些反应的总体结果是： 4H → He + 2e + 2γ + 2νe (26.7 MeV) 此处e是正电子，γ是伽玛射线的光子，νe是微中子，而H和He各自是氢和氦的同位素。在这些反应中释放出的能量单位为百电子伏特。实际上这只是一种很微小的能量单位，然而，每次的反应都有极大数量的原子参予，导致所有的能量累积能达到恒星辐射的输出。 恒星核融合需要的最低质量 元素 太阳 质量 氢 0.01 氦 0.4 碳 4 氖 8 在质量更大的恒星，氦可以经由碳氮氧循环的反应产生。 从0.5至10倍太阳质量的恒星，核心的温度演化至一亿度时，氦可以进行3氦过程，经由中间物质铍转换成碳： He + He + 92 keV → Be He + Be + 67 keV → C C → C + γ + 7.4 MeV 整体的反应式是： 3He → C + γ + 7.2 MeV 在大质量的恒星，更重的元素在核心收缩后可以经由氖燃烧过程和氧燃烧过程产生。恒星核合成的最终阶段是硅燃烧过程，结果是产生稳定的同位素铁-56。而除了经由吸热过程，核融合也不能继续产生新的元素，所以未来只能经由重力塌缩来产生进一步的能量。 下面的例子显示质量为太阳20倍的恒星消耗掉所有的核燃料所需要的时间。在主序带上的O型恒星，半径约为太阳的8倍，发光度是太阳的62,000倍。 燃料 物质 温度 （百万K） 密度 (kg/cm³) 燃烧时期 （以年为单位） 氢 37 0.0045 810万 氦 188 0.97 120万 碳 870 170 976 氖 1,570 3,100 0.6 氧 1,980 5,550 1.25 硫 / 硅 3,340 33,400 0.0315