太阳的特征
太阳与地球的平均距离是1.496×108km，天文学界通常以此距离作为衡量天体之间距离的长度单位，称为天文单位。太阳的半径是地球半径的109.3倍，约为695000km；表面积约是地球表面积的12000倍，约为6×1012km2；体积约是地球体积的1300000倍，约为1.52×1012km3。太阳的质量是地球质量的333400倍，约为1.989×1027t；平均密度为1.41t/m3；产能核心区输日面重力加速度是地球的27.9倍，约为2730m/s2。太阳的内部从里向外可分为三个层次，依次为产能核心区、辐射输能区和对流区（见图7）。
太阳产能核心区不停地发生着热核反应，产生巨大的能量，这些能量通过辐射、对流等方式，经过辐射区和对流区传到太阳表层，最后以太阳辐射的形式，向太阳系空间发出巨大的光和热。太阳表层通常被称为太阳大气，也可以分为三个层次，由里向外依次为光球、色球和日冕。
从地球上看太阳，太阳有一个球形的明确轮廓，它就是太阳光球的边界。光球是一个很薄的层次，厚度仅约300km。光球的平均温度约为6000℃，太阳的光辉基本上是从这里发出的。光球是整个太阳最亮的部分，但是光球上的光度并不是均匀分布的，其上经常会出现一些过暗或过亮的斑点，它们被称为黑子和光斑。色球是太阳大气中间层次，平均厚度约为2000km。它的密度比光球还要稀薄，几乎是完全透明的。它的温度高达几千乃至上万度，但它发出的光只有光球的几千分之一，在令人目眩的光球作用下，平时人们看不到色球这层气体。但是，每当日食来到时，这层气体就表现为日轮的一个美丽的玫瑰色花边，故而称之为色球。色球的边缘呈锯齿状，这是强烈的上升气流。有时上升气流特别强烈，腾空而起成为气柱，上升到数万乃至数百万千米的高空，然后再落回太阳表面，或消失在宇宙空间中。这样的气柱在一段时间内像耳环一样挂在日轮的边缘上，故称之为日珥。日冕是太阳大气的最外层，物质十分稀薄，仅有地球地面大气密度的一万亿分之一。日冕的亮度仅及色球的千分之一和光球的百万分之一，因此平时是无法在天空中看到的，仅在日全食时使用特殊的观测工具才能看到。日冕的形状经常变化，厚度处处不同。日冕的最独特之处在于它的高温。它的温度约是5×105℃，不但高于光球，而且也高于色球。日冕为什么会有如此的高温，目前仍是一个谜。在如此的高温下，氢、氦等原子被电离成带正电的质子（氢原子核）、氦原子核和带负电的自由电子。这些带电粒子的运动速度极快，以至于不断有带电粒子挣脱太阳引力的束缚而奔向太阳系空间。这种带电粒子流被称为太阳风。
太阳是整个太阳系的主要光源和热源，在日地距离为日地平均距离、太阳位于天顶、不考虑地球大气层对太阳光线的削减作用的条件下，地球表面单位面积上、单位时间内可以得到的太阳能为8.16J/min，这个数字称为太阳常数。由此数推算，地球所截获的太阳热能为1.04×1019J/min。由此进一步可以推算出，整个太阳的总辐射热能为2.31×1028J/min。地球所得到的太阳能仅占太阳总辐射能的1/22×108，对于太阳来说，这点热能是微乎其微的，然而对于地球来说，这部分热量是非常重要的，它足以支持整个地球表面上全部无生命的和有生命的自然过程的维持。
太阳上的情况在不断地变化着，这体现为光球上的黑子和光斑，色球上的日珥、耀斑和日冕形状的变化，这些方面的变化统称为太阳活动，其中以太阳黑子和耀斑为主要形式。太阳活动有强弱的变化，太阳活动处于低潮时的太阳称做宁静太阳，太阳活动处于高潮时的太阳称做扰动太阳，太阳活动主要是指扰动太阳的活动。
恒星演化模式
作为众多恒星中极普通的一颗，太阳与其他恒星有着相似的演化模式。因此，了解恒星的演化模式，有利于探讨太阳的形成与演化过程和未来发展情况。目前人类对恒星的演化过程已经认识得比较清楚了，并把恒星演化过程划分为幼年期、壮年期、老年期和临终期几个阶段。
恒星的幼年期主要是指由星际云形成原恒星过程的时期。天文学家认为，一切恒星最初都是从星际气体云形成的，换言之，即星际气体云是恒星诞生的地方。星云密度越大，星云物质引力越大，恒星形成的速度就越快。当星云相互碰撞并粘在一起时，则形成大质量的星云，这种星云中的物质本身产生相当大的使它们趋向于收缩的自引力。一旦星云开始坍缩，在它达到非常小的尺度以前，没有什么力量能够制止它，坍缩继续下去，使星云集聚成许多个小碎块。这些小碎块继续坍缩，形成了具有一定密度和温度的原恒星，从而使恒星的演化进入了幼年期。在原恒星形成的坍缩过程中，不仅其体积迅速减小，而且其内部的物理条件也发生了极大的变化，密度迅速增加，坍缩所释放出的引力能使其内部温度迅速由-6℃左右上升至5×106℃左右。在这样的温度下，其表面温度也高到足以使其成为一个可以看见的天体，其内部核聚变开始进行，这就宣布了一颗原恒星的结束和一颗恒星的诞生，从而使恒星的演化过程由幼年期步入壮年期。
恒星演化过程进入壮年期后，其光度与表面温度的关系表现为在赫罗图上位于主星序，以后各演化阶段也均符合赫罗图所表现出来的规律性。所谓赫罗图（见图8），是恒星各演化阶段光度与表面温度之间的关系图。1913年，美国天文学家罗素（MeuryNorrisRussell）以恒星的光度（绝对星等）为纵坐标，以恒星的表面温度为横坐标，做出了一张图，来表示恒星光度与表面温度的关系。之后，赫兹普隆（E.HertzSprung）也沿着同样的思路进行了工作。所以，这种图被称为赫罗图。罗素在制作赫罗图时所能使用的恒星资料，只有太阳附近这一局部地区的恒星资料。在这一区域，光度很大的恒星极为稀少，而中等光度和暗弱的恒星很多，所以他所取的恒星典型中缺少光度很大的恒星。
在赫罗图上，各类恒星分布的区域有一个明显的规律，即大多数恒星都位于从左上方（热而亮的恒星）到右下方（冷而暗的恒星）的一条窄带上，这条窄带被称为主星序。成年恒星的内部，每时每刻都在进行着物质的核聚变反应，释放出大量的能量。所谓核聚变，就是几个较轻的原子核结合起来而形成较重的原子核，并释放出能量的过程，它是氢弹爆炸的原理，也是恒星上产生能量的过程。这种能量是巨大的。1905年爱因斯坦提出了狭义相对论，导出了一个最富有革命性的推论，即一定数量的能量与一定数量的质量是等价的，它们之间的数量关系即是著名的公式：E=mc2。式中，E表示能量，m表示质量，c是光速，等于3×108m/s。该式表明，质量是能量的一种集中形式，可以把一定数量的物质转化为相应数量的能量。由于c是一个非常大的数，在公式中又以平方的形式出现，所以很少一点物质便能够提供巨大的能量。假如我们能把1g物质全部转化为能量，就可获得足以使一只100W的灯泡点亮100万个昼夜的能量。幸亏发生这种转化的条件是非常苛刻的，否则我们手中的铅笔就会突然爆炸开来，其威力抵得上100颗氢弹。恒星的内部时刻都在发生着这种核聚变反应，实现着物质向能量的转化。在核聚变反应过程中，较轻的物质通过聚合释放出巨大的能量并形成较重的物质，形成的新物质又成为新的聚合反应的物质原料，使核聚变过程不断地继续下去，直至形成最终物质铁。恒星上的核聚变反应物质序列为：氢→氦→碳→氧→氖→镁→硅→铁。最先发生聚合反应的物质是氢。当4个氢核聚合而形成一个氦核时，伴随着大量能量的释放，恒星的核心必定发生收缩和变得越来越热，外层尚未发生聚合的氢受到热力的作用发生膨胀而变得疏松，使恒星的体积变大。因为恒星主要是由氢组成的，所以由氢到氦的核聚变是一种非常丰富的能源，以至一个恒星的主星序的生存期占了其一生绝大部分时间。经过几十亿年的长时期的演化，累积于恒星中心的氦越来越多。当由氦构成的核心达到一定大小时，恒星的大小和亮度就开始发生显著的改变，它会骤然变冷并迅速膨胀。在这一演化过程中，恒星的核心发生坍缩，它的密度、温度和能量都在增加。与此同时，它的外壳显著地膨胀，表面温度下降，但由于表面积增加了，所以恒星的总光度仍在增加。因此，恒星向主星序的上方和右侧演化，成为一颗大体积、高亮度、低温度的红巨星，从而使恒星的演化过程由壮年期步入老年期。
红巨星形成之后，虽然由氢向氦的核聚变反应已经停止（此种能量已不复存在），然而，随着恒星核心的收缩，物质压缩所释放的能量不断增加。这种能量的累积，又会引发氦核向碳核的聚变，从而使恒星又重新获得核聚变能而升温。当氦核聚变反应接近尾声时，恒星又重复了氢核聚变反应结束时的状况，在恒星外部氢外壳之内形成了一层氦壳层，而碳核收缩成为恒星的内核。在这之后，恒星还会沿着核聚变反应物质序列的顺序，重复性地依次发生氧、氖、镁、硅等一系列的核聚变反应，使红巨星由外向内依次形成上述物质的外壳，直至形成铁核。这样，就使恒星获得了像洋葱头一样的同心圈层结构（见图9）。在上述一系列的核聚变反应过程中，尽管恒星辐射出去的能量越来越多，但是这些依次发生的核聚变反应所提供的能量却一次比一次少。一旦形成了铁核，恒星就耗尽了它的燃料，再也不能获得核聚变能了。因此，铁核的形成，标志着一颗恒星的终结。并不是所有的恒星都能达到这样的结局的。较小的恒星可能在核聚变反应进行到中间的某一个环节，就因为中心温度的较低而中止了核聚变反应。这时便只有引力能作用于恒星物质，恒星便开始发生快速的坍缩，从而使其提前走到了生命的尽头。
在红巨星的演化阶段，外层物质不断膨胀，内部物质不断收缩，二者逐渐分离。外层离开集中了星体大部分初始物质的高温内核后，就形成了行星状星云，它很像红巨星的延伸冷大气。当红巨星外层脱离内核，逐渐膨胀就充满很大的空间而具有很大的体积时，内核就暴露了出来。剥去了“外衣”的内核，将是一个温度和密度非常高而体积很小的天体，即白矮星。
在赫罗图上，恒星的位置也由右上方穿过主星序移到了左下方。白矮星的形成，标志着恒星临终期的到来。当所有的核反应都进行完毕时，大多数的恒星都变成白矮星。白矮星形成后，就失去了辐射能而缓慢地变冷，坍缩过程继续进行，直至达到极大的密度，内部压强达到不可思议的程度，连原子核也被压碎而不复存在，像质子和电子这样的原子粒子也不再能够单个存在，而被压挤在一起形成中子。恒星的整个核心被压缩成一个由密集的简并中子所构成的直径仅有几十千米的小球，外层则由于失去了辐射能形成的向外压力的支持也开始向内坠落，并与核心碰撞，结果就产生了一个非常猛烈的冲击波。这种冲击波会迅速传过恒星，点燃碳－氧层，发出耀眼的光芒，导致外壳剩余部分的爆发，并将其以很高的速度吹散至空间。这时，恒星就演化成为了一个超新星。当恒星发生爆发时，它的光度会一下子增大10亿倍，成为它一生中最为壮观的事件。如果这种超新星出现在银河系中，那么原来一颗暗弱看不见的恒星会一下子变成天上最亮的天体之一。最大光度能持续数日之久，随后在几年内慢慢减弱下来。这类恒星通常能保持为肉眼所看见的亮度数月之久，然后在肉眼观测中消失，用望远镜能够在原来发生爆发的位置观察到一团迅速膨胀着的气体云。在过去的2000年里，至少出现过7次超新星爆发，它们连续几天光辉夺目，盖过天上所有的其他星座。超新星的出现并不是一颗新的恒星诞生的礼赞，而是一颗垂死的恒星辉煌的“葬礼”。并不是所有的恒星都能够演化为超新星，只有那些质量在太阳质量3.5倍以上的中质量和大质量的恒星才能够走到这一步，质量较小的恒星将平和地演变为白矮星而终其一生。
超新星爆发的过程中，恒星失去了它的外壳，其内核成为一个由中子组成的中子星。中子星没有足够的亮度和温度以使人类观测和发现它们，人们是由于观测到了它所发射出的脉冲电波而发现中子星的。1967年，英国剑桥大学的贝尔（JocelynBell）和休伊什（AnthonyHewish）在研究射电源的闪烁现象时，偶然接收到一种来自宇宙的奇怪的电波，后来研究得知它是由一种前所未知的恒星发射出的，并因此把这种恒星称为脉冲星。这一发现被称为20世纪60年代四大天文发现之一，休伊什也因这一新发现而获得1974年的诺贝尔奖。目前已发现的脉冲星即中子星已有300多颗，它们都位于银河系内，蟹状星云的中心就有一颗。
还有另外一种与中子星有关的情况。较大的恒星发生超新星爆发时，便会形成很强大的引力而迫使自己无限制地收缩下去。当它收缩得很小而密度巨大时，就形成了巨大的引力场，没有什么东西能从它的引力中逃逸出去，以至于连光线也无法脱离这颗天体，在其引力作用下发生弯曲而不能向外传播。这颗天体是绝对黑色的，它就变成了一个黑洞。理论上讲形成一个黑洞和形成一个中子星一样容易。但是，黑洞不发射任何种类的辐射，寻找黑洞的工作是非常艰难的。人类是通过研究宇宙中双星（两颗相伴而存的星）现象而发现黑洞的。御夫座ε星是一个非常大的恒星，有一段时期，天文学家观测到，ε星面发生了长达数月的掩食现象，并且光线变曲，于是推测在其附近存在着一个质量和密度是一般白矮星和中子星所无法比拟的天体，从而推测这里有一个黑洞的存在。
太阳的形成与演化
作为一颗普通的恒星，太阳的形成与演化情形与前述恒星的形成与演化规律是一致的，要经过从星云到原始太阳而后再到太阳的各个阶段。太阳形成与演化的幼年期是原始星云在自身引力的作用下不断坍缩而形成原始太阳的时期，历经约数千万年。太阳的形成过程首先是在银河星云中产生太阳星云，然后是太阳星云演化为星云盘，最后是在星云盘中产生太阳及其行星。银河星云在引力的作用下坍缩，并产生旋涡。旋涡使星云碎裂而成为大量的碎片。每一个碎片在具有恒星质量的条件下，都将会形成一颗恒星。其中形成太阳系的碎片，就是太阳系的原始星云，称为太阳星云。在引力作用下，太阳星云进一步坍缩，使得旋转着的太阳星云不断加速，因而产生更大的惯性离心力。惯性离心力的分布是不均匀的，赤道上的数值最大，并由此向两极递减。这就形成了太阳星云的不等速坍缩，赤道上的坍缩速度最慢，并由此向两极递增，从而使太阳星云逐渐变为扁平形状而成为星云盘。进一步的坍缩，导致星云盘的中心和绝大部分物质形成原始太阳。
在原始太阳形成的同时，星盘周围的部分物质同时也在进行着太阳的行星的形成过程。首先进行的是集聚过程，即星云盘中微小的物质颗粒在运动中发生碰撞而结合在一起，成为许多质量较大的物质颗粒的集群。这些质量较大的物质集群具有较大的引力，可将质量较小的物质颗粒吸附于本体，使自身的质量得到进一步的增大，从而使吸积成为物质集群增大的主要方式，行星的形成进入了吸积过程。当物质集群的质量增大到一定程度，其内的物质在相互引力的作用下紧密地结合在一起，达到了不会因受到其他物质的碰撞而发生破碎的程度时，就形成了星子。星子的体积和质量都相对较大，它与其他物质发生碰撞和靠引力吸附其他物质的几率也较大，它因碰撞和吸积进一步增大的速度也在增加，行星的形成也就进入了碰撞吸积阶段。碰撞吸积的持续进行，一些特大的星子就在目前的行星的轨道附近形成，而称为星胚，它们是八大行星的前身。星胚的进一步增大，就形成了极大的引力，吸积过程再度取代碰撞吸积过程。在一定的空间范围内，星胚能够把几乎所有的星子合并吃掉，从而使自身加速壮大，最终形成了太阳的八大行星。
太阳形成与演化的第二阶段为青年期，内部热核反应开始进行，并开始发射可见光。这是太阳的主星序阶段，也是太阳一生中最漫长、最稳定的时期，大约要经历100亿年。太阳达到原太阳阶段时具有约一个天文单位的半径，它必须长期地缓慢坍缩才能达到目前的半径。原太阳的表面温度比目前的温度稍低，约为2000℃，但其表面积比目前大10000倍，所以亮度也必然比目前强10000倍。这时的温度对于起动核聚变反应而言仍嫌太低，因此原太阳获得如此高的温度和亮度的能量，仅有原太阳坍缩而释放的引力能。原太阳缓慢坍缩而产生的引力能一部分以辐射的形式释放，另一部分用于中心的温度增加。当温度升高至700万度时，原太阳中心的氢开始缓慢燃烧。至此，原太阳已经演化成为了一颗真正的恒星，称为太阳。氢的燃烧加速了太阳中心的升温速度，当中心温度达到5×106℃时，氢向氦的转变迅速增加核能的生产，成为太阳的主要产能方式。在氢燃烧开始后的3×107年以后，氢燃烧维持了全部发光，太阳的坍缩也完全停止。此后，太阳辐射掉的能量正好维持一个特定的半径、光度和温度，处于平衡状态。研究表明，太阳目前正处于精力旺盛的主星序阶段，它至少还可以稳定地燃烧50亿年之久。
太阳形成与演化的第三阶段为中年期，即太阳的红巨星阶段。太阳在度过漫长的主序星阶段后，便进入中年期。当太阳内部热核反应的“燃烧圈”接近半个太阳半径时，燃烧过的中心部分将发生坍缩。坍缩过程中，它将发出巨大的能量。这些能量一方面使中心温度进一步提高，以致引发进一步的热核反应；另一方面促使太阳外部层次大幅度地膨胀，使得它成为体积巨大、温度极高、亮度很强而密度很小的红巨星。那时，太阳的直径将扩大到现在的250倍，水星、金星甚至地球都将被吞没。太阳将在红巨星阶段停留10亿年。
太阳形成与演化的第四阶段为老年期，是太阳的脉动变星阶段。红巨星阶段之后，随着核燃料的不断变化，核聚变反应逐渐变得越来越复杂，其体积也时而收缩，时而膨胀。太阳的亮度在收缩时变亮，膨胀时变暗，成为一个亮度时常变化的脉冲变星。不过这一阶段为时不长。
太阳形成与演化的第五阶段即最后一个阶段为临终期，这是太阳的白矮星阶段。这时的太阳内部核燃料已基本耗尽，太阳整体将发生坍缩。坍缩过程中，太阳内部被压缩成一个密度很高的核心，同时释放出巨大的能量，将太阳的外层推出而成为红巨星。红巨星继续膨胀，最终成为行星状星云。之后，揭去外层的太阳，仅留下内部的高密度核心，而成为一颗白矮星。白矮星会缓慢地冷却，并长久地存留于宇宙空间。
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