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从天文观测的角度看，恒星是会发光的天体，而行星只是反射或折射恒星发出的光线而已。恒星发光的原因是因为它内部的热核反应。公众熟知的核反应例子是世界上各个大国掌握的核武器：原子弹和氢弹。前者的物理过程叫做“核裂变”，后者则叫做“核聚变”。裂变指的是一个大质量的原子核（例如铀）分裂成两个较小的原子核；聚变则是由较轻的原子核（例如氢）合成为一个较重的原子核，比如说氢弹就是使得氢在一定条件下合成中子和氦。无论是裂变还是聚变，原子核的质量都发生了变化。爱因斯坦的狭义相对论认为质量和能量是同一属性的不同表现，它们可以互相转换。核反应中有一部分静止质量转化成巨大的能量，并被释放出来，这就是为什么核武器具有巨大杀伤能力的原因。太阳内部所发生的，便是与氢弹原理相同的核聚变。
核聚变发生条件很苛刻，需要超高温和超高压。在地球上人为地制造这种条件不是那么容易，但在太阳的核心区域中却天然地提供了这一切。那里的物质密度很高，大约是水密度的150倍，温度接近1500万℃。因此，在太阳核心处进行着大量的核聚变反应，如图1-2-1（a）所示。
图1-2-1 太阳内部的核反应
太阳内部的核反应会产生携带着大量能量的伽马射线，也就是光子，同时也产生另外一种叫做中微子的基本粒子。因而，在我们的宇宙中，不仅飞舞着各种频率的光子（电磁波），也飞舞着大量的中微子！中微子字面上的意思是“中性不带电的微小粒子”，是20世纪30年代才发现的一种基本粒子。中微子有许多有趣的特性，有待人们去认识和研究。比如说，科学家们原来认为中微子和光子一样没有静止质量，但现在已经认定它有一个很小的静止质量。
太阳核心球的半径大约只有整个半径的1/5～1/4。核心之外的辐射区中充满了电子、质子等基本粒子。当光子和中微子在太阳内部产生出来后，它们的旅途经历完全不一样。光子是个“外交家”，与诸多基本粒子都有“交往”，它们一出太阳核心区，旅行不到几个微米便会被核心外的等离子体中的基本粒子吸收，或从原来高能量的伽马射线转化成能量更低的光子，并散射向四面八方。说起来你会难以相信，一个光子如此经过反反复复的曲折迂回的路线之后，平均来说，要经过上万年到十几万年的时间
，才能从太阳核心到达太阳表面，继而再飞向宇宙，照耀太阳系，促成地球上的“万物生长”。当光子来到太阳表面时，已经不仅仅是伽马射线，而是变成了很多波段的电磁波。太阳表面的温度相对于核心处1500万℃的高温而言，也已大大降低，只有6000℃左右。
中微子则大不相同，见图1-2-1（b），它不怎么和其他的物质相互作用。因而，它在被核聚变产生出来之后，2秒钟左右便旅行到了太阳表面，从太阳表面逃逸到太空中去了。所以，非常有趣，当我们在地球上同时接受到从太阳辐射来的光子和中微子时，它们的年龄可是相差太大了：中微子是个太阳核心的“新生儿”，光子却是多少万年之前核聚变的“骨灰级”产物了。
无论如何，太阳系大家庭的能量来源是太阳核心的核反应。每1秒钟聚变反应都会将超过400万T的物质（静止质量）转化成能量。如此一来，科学家们不由得担心起来：太阳以如此巨大的速度“燃烧”，还能够烧多久呢？
像太阳这类恒星的生命周期和演变过程取决于它最初的质量。大多数恒星的寿命在10亿岁到100亿岁之间。粗略一想，你可能会认为质量越大的恒星就可以燃烧更久，便意味着寿命更长。但事实却相反：质量越大寿命反而越短，质量小的却会细水长流，命反而长。比如说，一个质量等于太阳60倍的恒星，寿命只有300万年；而质量是太阳一半的恒星，预期的寿命可达几百亿年，比现在宇宙的寿命还长。
就我们的太阳而言，其生命周期可参考图1-2-2。
图1-2-2 太阳的生命周期
由图可见，太阳是在大约45.7亿年前诞生的，目前“正值中年”。太阳在45亿年之前，是一团因引力而坍缩的氢分子云。科学家们使用“放射性定年法”得到太阳中最古老的物质是45.67亿岁，这点与估算的太阳年龄相符合。
恒星的年龄与恒星的质量有关，其原因是因为“引力”在恒星演化中起着重要的作用。描写引力作用的理论有牛顿的万有引力定律和爱因斯坦的广义相对论。这两个理论被应用在引力较弱的范围时，结果是一致的；但对于强引力场，或者是宇宙大尺度现象时，必须使用广义相对论，才能得出正确的结论。
世界的万物之间都存在引力，引力使得两个质量互相吸引。在一个系统中，如果没有别的足够大的斥力来平衡这种引力的话，所有的物质便会因为引力吸引而越来越靠近，越来越紧密地聚集在一起。并且，这种过程进行得快速而猛烈，该现象被称为“引力塌缩”。在通常所见的物体中，物质结构是稳定的，并不发生引力塌缩，那是因为原子中的电磁力在起着平衡的作用。
恒星在形成和演化过程中也存在引力塌缩。所有恒星都是从由气体尘埃组成的分子云坍缩中诞生的，随之凝聚成一团被称为原恒星的高热旋转气体。这一过程也经常被称作引力凝聚，凝聚成了原恒星之后，其发展过程则取决于原恒星的初始质量。因为太阳是科学家们最熟悉的恒星，所以在讨论恒星的质量时，一般习惯将太阳的质量看成是1，也就是用太阳的质量作为质量单位。
质量大于太阳质量1/10的恒星，自身引力引起的塌缩将使得星体核心的温度最终超过1000万℃，由此启动质子链的聚变反应，即由氢融合成氘，再合成氦，同时有大量能量从核心向外辐射。
当星体内部辐射压力逐渐增加，并与物质间的引力达成平衡之后，恒星便不再继续塌缩，进入稳定的“主序星”状态。太阳现在便是处于这个阶段，如图1-2-2所示。太阳的主序星阶段很长，有100亿年左右。截至目前，太阳的生命刚走了一半，所以人类还可以稳当地继续生活50多亿年，大可不必焦虑。
质量太小（小于0.08个太阳质量）的原恒星，核心温度不够高，启动不了氢核聚变，就最终成不了恒星。如果还能进行氘核聚变的话，便可形成棕矮星（或称褐矮星，看起来的颜色在红棕色之间）。如果连棕矮星的资格也够不上，便只有被淘汰的命运，无法自立门户，最终只能绕着别人转，变成一颗行星。
不过，恒星核心内部的氢，即热核反应的燃料，终有被消耗殆尽的那一天。对太阳而言，从现在开始，温度将会慢慢升高。当地球到达100亿岁左右，太阳内部的氢被烧完了，但是内部的温度仍然很高，于是开始烧外层的氦。此时太阳会突然膨胀起来，体积增大很多倍，形成红巨星。那时候，地球的灾难就会来了，它将和太阳系的其他几个内层行星一起，被太阳吞掉。不过，那已经是50亿年之后的事，也许人类的科学技术已经发达到很高的程度，人类早已搬离了太阳系，去到了一个安全的地方。
太阳最后的结局是白矮星，或者再到黑矮星。这里我们用“矮”字来表示那种体积小但质量大的天体。天文学中有五类小矮子：黄矮星、红矮星、白矮星、褐矮星、黑矮星。不过，天体物理中，人们最感兴趣的是白矮星。
人类对恒星的研究始于太阳，但不仅于太阳。特别是，恒星的生命周期长达数十至数百亿年，它们的进化过程缓慢。我们看到的太阳天天如此、年年如此，好像世世代代都如此，如果仅仅从太阳这一个恒星的观测数据，很难验证图1-2-2中对太阳生命周期（大约140亿年）的描述。人的一生中无法观察到太阳的诞生过程，也无法看到它变成红巨星和白矮星时候的模样。任何人所能看到的，只不过是太阳生命过程中一段极其微小的时段。
科学家总能够找到解决问题的办法。宇宙中除了太阳之外，还有许多各种各样的恒星，有的与太阳十分相似，有的则迥然不同。它们分别处于生命的不同时期，有的还是刚刚诞生的“婴儿”恒星；有的和太阳类似，正在熊熊燃烧自己的生命之火，已经到了青年、中年或壮年；也有短暂但发出强光的红巨星和超新星；还有一些已经走到生命尽头的“老耄之辈”，变成了一颗“暗星”，这其中包括白矮星和中子星，或许还有从未观察到的“夸克星”。此外还有黑洞，它们是质量较大的恒星的最后归宿，可比喻为恒星老死后的尸体或遗迹。观测和研究这些形形色色的处于不同生命阶段的恒星，能给予我们丰富的实验资料，不但能归纳得到太阳的演化过程，还可用以研究其他星体、星系，以及宇宙的演化。
人们喜欢说“群星灿烂”。但在真实的宇宙里，星星中有灿烂的，也有不灿烂的。在肉眼可见的星星中，行星自己不发光。恒星的生命历程非常漫长，从熊熊燃烧之火，最后变为宇宙中的暗星天体。暗天体不发光，或者发出很少的光亮，默默地待在黑暗之中，但它们仍然用自己强大的引力发挥最后的威力。
越不灿烂的星星，越能激发人们的好奇心。所以，我们的故事就首先从最“暗”的天体——黑洞讲起。
有关黑洞的探讨，可以追溯到200多年前的经典力学时代。当时的科学家，比如拉普拉斯，把此类天体叫做“暗星”，见图1-3-1（a）。事实上，首先提出暗星概念的是英国人米歇尔（John Michell，1724—1793年）。他是一位地质学家，却感兴趣于天文学。他使用牛顿力学定律计算质量
m
的运动物体相对于某个质量
M
的星球的逃逸速度
v
e
，得到如下公式：
，这里
G
是万有引力常数，
r
是星球的半径。如果运动物体的质量
m
很小，可以忽略不计时，逃逸速度与星体质量有关：
v
e
＝平方根（2
GM
/
r
）。
图1-3-1 暗星和黑洞
这里的逃逸速度指的是能够逃出这个天体引力吸引的最小速度。我们在地球上抛石头，抛出石头的速度越快，便能将它抛得越远。如图1-3-1（a）所示，想象有一个大力士，能够给予石头很大的速度，以至于石头飞向宇宙空间。有的石头可能会绕着地球转圈，速度更大的便永远不再回来，这个“不再返回”的最小速度就是逃逸速度。因此，只有当物体相对星球的运动速度 v 大于逃逸速度 v e 时，物体才能挣脱星球引力的束缚，逃逸到宇宙空间中。这个概念也被著名的拉普拉斯（Pierre-Simon，Laplace，1749—1827年）提出，并写到他的《宇宙系统》一书中，成为黑洞概念的最初萌芽。
根据拉普拉斯和米歇尔的预言，如果星体的质量 M 足够大，它的逃逸速度 v e 将会超过光速。这意味着即使是光也不能逃出这个星球的表面，那么，远方的观察者便无法看到这个星球，因此它成为一颗“暗星”。当初他们得出这个结论是根据牛顿的光微粒说，计算基础是认为光是一种粒子。有趣的是，后来拉普拉斯将这段有关暗星的文字从该书的第三版中悄悄删去了。因为在1801年，托马斯·杨的双缝干涉实验使得大多数物理学家们接受了光的波动理论，微粒说不再得宠。于是拉普拉斯觉得，基于微粒说的“暗星”计算可能有误，新版的书中最好不提为妙。
1915年，爱因斯坦建立了广义相对论。紧接着，物理学家史瓦西首先为这个划时代的理论找到了一个球对称解，叫做史瓦西解。这个解为我们现代物理学中所说的黑洞建立了数学模型。最有意思的是，虽然拉普拉斯等人有关暗星的计算基础（光的微粒说）是错误的，但他们得出的基本结果（黑洞半径）却与史瓦西解得到的“史瓦西半径”完全一致。因为拉普拉斯等人在计算半径的过程中犯了多次错误，最后，这些错误刚好互相抵消了！
不过虽然算出的半径相同，但作为史瓦西解的“黑洞”概念，已经与原来拉普拉斯的所谓暗星，完全不是一码事。史瓦西黑洞有着极其丰富的物理意义和哲学内涵，黑洞周围的时间和空间，有许多有趣的性质，涉及的内容已经远远不是光线和任何物体能否从星球逃逸的问题。
我们在后面的章节中还会再提到黑洞的数学模型和物理性质。本节中，读者可以首先从时空弯曲的角度来粗略地理解“黑洞”，如图1-3-1（b）所示。
广义相对论描述的是物质引起的时空弯曲
。质量比较大的星体，诸如恒星，能使得其周围的时空弯曲，可以将此比喻为一个有质量的铅球，放在弹性材料制造的网格上。铅球的质量使得橡皮筋网格弯曲下陷。比如说，图1-3-1（b）中最左上角所示是我们的太阳，它在恒星中质量算是中等，橡皮网下陷不多。除了太阳之外，图1-3-1（b）中还显示了质量密度更大的恒星、白矮星、中子星等情况。不同大小的质量密度会引起不同的时空弯曲，密度越大，弯曲程度越大，相应图中弹性网格的下陷也越深。由图中的描述，黑洞可以看成是当“引力塌缩”后，物体体积极小、质量密度极大时的极限情形。质量太大，引起时空极大弯曲，质量大到弹性网格支撑不住“破裂”而成为一个“洞”。这时候，任何进入洞口的物体都将掉入洞中，再也出不来。这个“洞口”指的是史瓦西半径以内，“物体”则包括所有的粒子及辐射（光），这便形成所谓的黑洞。
前面曾经介绍了太阳的生命周期。你是否想象过，太阳老了之后会是什么样子？再过大约50亿年之后，太阳核心的聚变材料（氢）烧完了，会经历一个突然膨胀为红巨星的阶段。那时的太阳将变成一个大红胖子！这段红胖子时间虽然也有好几亿年，但在天文学家们的眼中却不算一回事，因为他们要考虑的时间尺度都太大了。
那么，太阳为什么突然会变成个大红胖子呢？因为在恒星的主序星阶段，热核反应将氢合成为氦。如果氢没有了，核心中的氦又累积到了一定的比例，在核心处便会进行激烈的氦燃烧，导致失控的核反应（氦融合），几分钟内释放出大量能量。天文学家们将这一过程叫做“氦闪”，这一闪就是100万年！结果闪出了一个大红胖子。胖子内部的氦还在继续燃烧，核心温度达到1亿℃。待很大比例的核心物质转换成碳之后，内部温度开始逐渐下降。随着外层的星云物质逐渐被削去，引力使得星体向核心塌缩，体积逐渐缩小。最后，一个白矮子从红胖子中逐渐出现，这便是太阳老时的模样：白矮星！太阳目前的体积为100万个地球大小，但它成为白矮星后，体积将缩小到地球大小。因此，白矮星的密度极高，从其中挖一块小方糖大小（1cm 3 ）的物质，质量可达到1T！
白矮星的光谱属于“白”型，白而不亮，因为这时候聚变反应已经停止，只是凭借过去积累的能量发出一点余热而已。老耄恒星也明白“细水长流”之道理，它们发出的光线黯淡不起眼，剩余能量将慢慢流淌，直到无光可发，变成一颗看不见的、如同一大块金刚石（钻石）形态的“黑矮星”！目前在宇宙中观察到的白矮星数目已经可以说是多到“不计其数”，据估计银河系就约有100亿颗。但是，黑矮星却从未被观测到，科学家们认为其原因是从白矮星变到黑矮星需要几百亿年，已经超过了现在估计出的宇宙年龄。然而，对没有观测到的这类“假想”星体，人类毕竟知之甚少，尚需进行更为深入的研究。
你是否知道夜空中最亮的恒星是哪一颗？就是位于大犬座的天狼星。这颗星如此明亮，因此远在公元前，人们对它就有所记载。天狼是中国人给它起的名字，在西方文化中，它被称为“犬星”。“犬”和“狼”本来是属于同类，虽然在不同文化中对这颗星的称呼相似，但人们对其寄托的想象和征兆却迥然不同。我们的祖先认为这颗星带着一股“杀气”，象征侵略。“青云衣兮白霓裳，举长矢兮射天狼。”是屈原《九歌》中的句子；苏轼的诗中也用“会挽雕弓如满月，西北望，射天狼”来表达自己欲报国立功的信念。古罗马人也认为“犬星”主凶，会造成灾难。而古埃及人却把天狼星作为“尼罗河之星”加以崇拜。
天狼星因为最亮眼，因而早就被人类观测到。但直到1892年，人们才知道它并非“单身”，而是有一个时时不离的“伴侣”。因为观测者在研究天狼星的运动时，发现它总是在转小圈圈。为什么转圈？绕着谁转？依靠更强大的望远镜，人们才认识到天狼星原来是一对双星，便称它们为天狼星A和B。这个伴星B的质量约为一个太阳质量，但大小却只与地球相当。它的表面温度也不低（25000K），但发出的光却只有天狼星A的万分之一，因而，它在亮丽的“女伴”旁边不容易被人发现。更多研究表明，它距离我们大约8.5光年，是距离地球最近的一颗白矮星。
光年是天文学中经常使用的距离单位，也就是光旅行1年所走过的距离。比如说，照在我们身上的太阳光是太阳在8分钟之前发出来的，也就可以说，太阳离地球的距离是8光分。而光线从刚才提到的天狼星B，传播到地球上则需要8.5年。
后来，难以计数的白矮星被发现。2014年4月，在距离地球约900光年的水瓶座方向，发现一颗已有110亿年寿命的“钻石星球”，它是到那时为止发现的温度最低、亮度最暗的白矮星。这块与地球差不多大小的大钻石尽管价值连城，但人类却承受不起，太重了，还是离它远一点为妙。
根据目前的恒星演化模型，我们的太阳在老耄之年的样子，大概就类似于天狼星B，或者新近发现的这颗钻石星。也许最后，它们将从白矮星缓慢地演化成黑矮星，但永远不会变成黑洞。那么，什么样的恒星最后才将塌缩成为黑洞呢？