天文学里最常见的认知误区是什么？
问伊桑：天文学中最大的误解是什么？
许多事实在专业人士中广为人知，但却未被公众所重视，甚至被完全否定。恒星如何运转就是最典型的例子。
这张原行星系统IRAS043022247中心区域的特写视图展示了气态物质远离中心原恒星的运动，而来自盘内的吸积物质尘埃特别丰富，甚至遮蔽了JWST对中心原恒星的观测。原行星盘底部等位置的致密天体实际上是背景星系：由于JWST独特的灵敏度，它们在这些复杂环境中也能被观测到。图片来源：ESA韦伯望远镜、NASA与CSA，M。Villenave等人。
任何领域都存在一些广为流传的误解：那些人人都知道的事情，却与专业专家所理解的现实不太相符。 在天文学领域，知识层面的风险极高：我们对整个宇宙、其中所有事物及其运行方式的理解，都依赖于正确的认知。 虽然关于膨胀宇宙、大爆炸、宇宙暴胀、暗物质和Ia型超新星的误解层出不穷，但最容易被误解的却是最简单的主题：恒星本身。以下是大多数人忽略的要点。
每当你尝试学习超出当前理解范围的东西时，这并不像把新知识倒进一个原本空着的容器那么简单。我们着手任何新尝试时，都带着已有的基础——往往是一套错误的认知。
常常，我们意识到需要一位专家——具备真正专家级知识的人——来帮我们区分虚构与现实。令人沮丧的是，有时我们寻求专业知识的来源甚至会误导我们。在我作为天体物理学家的职业生涯中，这种情况已经发生过很多次，这也让苏珊娜博德曼问我的问题变得如此引人深思，她问道：
关于你的工作，有什么让你感到兴奋或沮丧的事情吗？你有没有发现什么想澄清的误解？
虽然从事这项工作本身往往就是一种回报，但误解却常常存在：不仅存在于普通大众中，也存在于研究物理和天文学的专业人士群体里，包括（尽管我正在积极努力纠正它们）我自己也有这些误解。让我们开始吧。
这段关于双爆轰场景的图片展示了两颗白矮星在彼此附近的轨道上运行。当物质积聚到其中一颗白矮星上时，可能引发表面热核反应，这种反应会在星体周围传播，直到触发核心爆轰。这种场景可能导致观测到的Ia型超新星中多达100％的产生，而经典模型中白矮星因吸积物质超过钱德拉塞卡极限引发超新星的情况，可能对Ia型超新星的贡献为0％。来源：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心概念图像实验室AdrianaManriqueGutierrez（USRA）
在我们深入探讨最大的误解之前，先来说几个值得一提的点：这些是专业人士们努力确立的内容，但无论是普通大众还是专业领域内部的许多人，仍然固守着过时的观念。
膨胀的宇宙：其中各个物体之间的空间会拉伸，导致粒子失去动能，无质量量子在穿越空间时发生红移。
大爆炸：它是定义早期宇宙的高温、致密、快速膨胀状态，而非最初理论所认为的奇点。
宇宙暴胀：它不是大爆炸理论的某种推测性附加内容，而是通过多种观测测试被充分证实的科学理论。
暗物质：其存在已被观测充分证实，而各种替代理论不断被一系列对比测试推翻，但它仍常被当作推测性的占位概念。
Ia型超新星：尽管已知的Ia型事件中没有一个符合该说法，但它们仍被教导为从伴星吸积物质直到超过钱德拉塞卡质量极限的白矮星。
然而，这些宏大的概念通常需要一段时间才能理解，而且有许多教育资源可以帮助人们掌握它们。这就是为什么最大的误解存在于天文学中更为基础的内容上：恒星实际上是如何运行的。
这个剖面图展示了太阳表面和内部的各个区域，包括核心——这是唯一发生核聚变的地方。随着时间推移和氢的消耗，核心中含氦的区域会膨胀，最高温度会升高，导致太阳在能量输出增加时离开主序星阶段。向内的引力与向外的气体压力之间的平衡（辐射压力仅略微增强这种平衡，且主要在大质量恒星中）决定了恒星的大小和稳定性，而核心的大小、温度和元素丰度则决定了内部核聚变的速率和种类。来源：维基共享资源KelvinSong
如果你问普通人——甚至，或许有点尴尬的是，普通天文学家——关于恒星如何运作的几乎任何问题，你可能听到的答案都只是核聚变。
星星为什么会发光？
是什么支撑着恒星抵抗引力坍缩？
是什么决定了恒星的温度和亮度？
恒星最初是在什么时候正式启动的？
即使你是天文学家，你的直觉可能也会在某个时候想到核聚变。事实上，互联网似乎证实了这一点：在关于这个主题的几篇相关维基百科文章中都提到了核聚变，而且我询问过的每一个大型语言模型（LLM）在回答这些问题时，总是会提到核聚变起着至关重要的作用。
确实，核聚变确实发生在恒星内部，并且在恒星生命周期的大部分时间里，它作为恒星内部的主要能量来源发挥着重要作用。但核聚变并非全部真相，它在恒星中的作用因一个历史原因被大大高估了：它是恒星运作之谜最后被揭开的重要部分，这一发现是在过去的某个时期才得到确认的。为了理解恒星如何发光、是什么支撑着它们、是什么决定了它们的温度和亮度，以及它们何时真正开始发光等问题的真实答案，让我们回到人们还未了解亚原子世界的历史时期，试着想象一位生活在19世纪末的天文学家会对恒星有怎样的认识。
该图展示了卡诺循环内热机的工作原理：热源（红色虚线）和冷源（蓝色虚线）首先进行等温膨胀（从A到B），接着进行绝热膨胀（从B到C），然后进行等温压缩（从C到D），最后进行绝热压缩（从D到A）。需要注意的是，在绝热阶段，由于热量无法与环境有效交换，温度会发生变化：膨胀时温度降低，压缩时温度升高。太空中气体云的收缩是一个典型的绝热过程实例。
虽然你可能没有意识到，但很早以前，天文学家和物理学家就已经具备了回答大多数关于恒星问题的充足知识。牛顿引力理论早已存在；拉格朗日力学、动能与势能以及作用量的概念，还有静电学的基础，也都较早地形成了；哈密顿力学以及热机、热力学和熵的概念也早已出现；此外，电与磁的统一、原子的发现以及元素周期表的编制与整理，也都是较早完成的成果。从生物学和地质学领域我们还了解到，地球已有数十亿年的历史，而生命在我们这个星球上确实已经繁荣了很长时间。
不过，天文学家研究和分类恒星已有数千年历史：通常按颜色和亮度对它们进行分类。恒星视差的首次测量是在望远镜时代之后实现的，这让我们得以知晓恒星的距离（以及恒星之间的间隔距离）。而内部包含恒星的星云，自望远镜时代之初就已为人所知。
当谈到是什么让恒星发光这个问题时，有一个显而易见的解释：
你从一团气体云开始，这团气体由于引力作用开始收缩，收缩将引力势能转化为动能，内部原子之间的碰撞将动能转化为热能（热量），然后这团热气体产生向外的压力，平衡向内的引力。
因此，你最终得到了恒星：这些炽热的气体球的能量来自引力收缩，其内部产生的（气体）压力向外推，平衡了引力。
特别要注意的是，这个故事里没有提到核聚变。没有核聚变的话，你可能会想：这个故事不够完整吧，但事实证明它在很大程度上仍然是正确的。19世纪的物理学并没有因为我们发现了量子物理、相对论、亚原子粒子或核聚变就不再正确。这些发现只是意味着，在对某些物理系统进行建模时，需要考虑更多的反应和效应。当然，关于现实运作方式的某些部分需要修正，但其他部分则完全保持不变。在这种情况下，核聚变会在恒星的运作和发光中发挥作用，但故事的早期阶段——也就是我们刚刚从19世纪视角讲述的部分——则完全没有区别。
英仙座分子云中的NGC1333星云位于我们银河系内，距离仅960光年。哈勃望远镜只能捕捉到遮光的尘埃和受热的气态物质，而詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）则能出色观测到内部大量被遮蔽的恒星和原恒星，以及因环境条件受热、哈勃无法看到的较冷物质。原恒星本身尽管能量大部分甚至全部来自引力收缩而非核聚变，却依然明亮发光。来源：美国国家航空航天局、欧洲空间局、太空望远镜科学研究所。
当我们开始询问恒星的温度和光度（或固有亮度）时，这一点仍然成立。如果从一定质量开始，引力收缩会将部分（引力）势能转化为动能，而碰撞又会将该动能转化为热能。质量收缩得越多，它的体积就越小，但温度也会越高。
L = 4πR²σT⁴
再次说明，这不是什么新颖的、基于量子的公式，而是一个较早的定律：斯特藩玻尔兹曼定律。
各种恒星和恒星残骸被绘制在这张颜色星等图上，图中还标注了不同的恒星类型和恒星系统。请注意，恒星的颜色由其温度决定（x轴），但恒星的亮度（y轴）更多地取决于其半径而非颜色。最大的恒星——巨星和超巨星——是最亮的，因为光度与半径的四次方成正比。来源：Starhuckster
让我们梳理一下我们刚刚列出的关于恒星形成的各种信息，要注意的是，到目前为止，我们在这个过程中完全没有必要提及核聚变。
一团初始巨大的冷气体云（通常约50K左右）开始在自身引力作用下收缩。
在许多独立区域中——但我们可以特别关注其中一个——一团物质开始相对快速地增长，在收缩时吸引越来越多的周围物质到自身（质量越大，增长越快，收缩也越快）。
当物质收缩时，单个粒子相互碰撞，导致这团巨大的物质在收缩过程中升温。
这团物质越巨大、越密集，就有越多热量被捕获，温度也变得越高：在此过程中，密度累计增加18个数量级。
然而，随着这团物质变小，热量逃逸的表面积减少；球体的表面积是这团物质散热的方式，它越小，热量逃逸得越慢。
在这团物质内部，引力将物质向内拉，但运动粒子的热量产生向外的压力（即单位面积上的力）——气体压力，它会抵消引力的作用。
现在，再加上我们已经确立的任何热物质团的辐射定律：L = 4πR²σT⁴。
这为我们解释了原恒星形成时的发光机制。它们开始时表面积大，温度适中（几千开尔文），因此会在相对较低的温度下释放大量能量。随着收缩，它们的半径变小但温度升高（这发生在绝热收缩过程中），导致其光度先保持相对稳定，之后整体下降。质量最大的原恒星收缩最快，而质量最小的原恒星则需要更长时间才能收缩到平衡状态——此时向外的气体压力最终与向内的引力相平衡。
气球会膨胀或收缩以改变其体积，从而使其表面每一点的内部压力（红线）都与外部压力（蓝线）相匹配。图中所示的气球既不膨胀也不收缩的状态，是压力处于平衡的例证。在恒星内部，表面和内部每一点的压力都必须处于平衡状态，否则恒星会改变其质量分布和或大小以适应这种差异。来源：公有领域E。西格尔
一旦达到这种平衡，恒星就会停止收缩。正是这种平衡决定了恒星的亮度（即光度）、大小和温度：也就是气体压力与向内的引力相互平衡的状态。
那么，核聚变究竟是如何进入这个话题的呢？答案是：只有在我们已经讨论过的所有事情都发生之后。我们可以从两个角度来看待它：历史角度或物理角度。
历史上，这个问题源于人们试图对比太阳的年龄与已确定的地球年龄（包括生物和地质层面；见本文第2点）。我们的太阳有一定的总功率输出——即它随时间发射能量的速率——而且即使太阳质量巨大，它所拥有的引力势能也只有有限的总量。如果你问如果太阳仅靠这种引力势能提供能量，它能以当前亮度发光多久？这个问题，答案是不超过约4000万年。但地球（以及其上的生命）已有数十亿年历史，这表明需要一种新的能源来源。
不过，这种能量来源在过去很长一段时间里不为人类所知。直到后来爱因斯坦提出了质能等价的概念（即E=mc²），再之后核裂变和核聚变等核反应过程才被发现。中微子作为核反应产物的假说也是后来才被提出的，而中微子的首次探测以及随后太阳中微子的探测也都发生在更晚的时候。不过，当时人们已经意识到，要解释太阳能量输出的持久性，一定存在某种引力之外的机制在起作用。
太阳的结构包括内核，这是唯一发生核聚变的地方。即使在太阳达到的最高温度——1500万开尔文下，太阳的单位体积能量产出也低于一个普通人体。不过，太阳的体积大到足以容纳超过10²⁸个成年人，这就是为什么即使能量产生率很低，也能带来如此巨大的总能量输出。太阳从原恒星阶段内核无核聚变，到达到这种平衡状态——核聚变为恒星提供100％的能量、引力收缩停止，大约需要5000万年。
物理上，只有当原恒星完成收缩并达到这种平衡状态后，核聚变才会开始参与过程。只有此时，内部温度才会升高到百万度甚至更高的范围——这正是核聚变反应开始发生的温度区间。与你可能预期的相反，这些反应不会改变恒星的温度、大小或亮度，而只会改变恒星内部发生的情况。
第一个被跨越的临界温度阈值是引发氘（由一个质子和一个中子结合而成的氢核）聚变的阈值，即质子与锂发生聚变。同样，这产生的热量和压力微乎其微；该天体仍然仅靠气体压力维持支撑。
然后，当核心温度上升到400万到1000万开尔文之间时，最关键的阈值就出现了——成为褐矮星的阈值。一个物体需要达到约60倍木星质量（约为太阳质量的0。057％）才能启动锂聚变，然后需要约65倍木星质量（约为太阳质量的0。061％）才能启动铍聚变。但启动氢聚变（大多数恒星能量产生的主要过程）需要约80倍木星质量（介于太阳质量的0。075％到0。08％之间）。
质子质子链中最直接且能量最低的版本，它从初始氢燃料中产生氦4。需要注意的是，只有氘与质子的聚变才能从氢中产生氦；其他所有反应要么产生氢，要么从氦的其他同位素中生成氦。这套反应发生在所有年轻、富氢恒星的内部，无论其质量如何。
不过在核心实现氢核聚变并不意味着你的恒星就正式诞生了；当核聚变开始时，它仍然是一颗原恒星。当核聚变反应开始时，原恒星的核心很小，核聚变产生的压力可以忽略不计，而且核聚变的能量输出速率与原恒星表面辐射出去的能量速率相比要小得多。不过原恒星不会收缩，因为它仍然被气体压力支撑着。
发生的情况是，它的内部密度和温度分布发生变化，使得更高的密度和温度集中在核心区域，从而形成一个结构更分化的恒星——外部有光球层，内部有辐射区，核心则是聚变区。随着核心区域变大且中心温度升高，聚变速率会加快。最终——对于质量最大的恒星来说需要数万年，而对于类太阳恒星则需要数千万年——聚变成为该天体的主要能量来源，而此前即使恒星大小和温度保持不变、却推动其核心增长的引力收缩过程会放缓。
只有当核聚变产生的能量足以提供加热恒星内部气体所需的100％能量（这是维持气体压力以抵抗引力坍缩所必需的）时，恒星才算形成完毕，可以被视为诞生。总的来说，原恒星收缩并达到其大小和温度所需的时间因原恒星的质量而有巨大差异，而从氢核聚变开始到氢核聚变提供恒星总能量的100％，所需的时间大约是前者的一倍：20倍太阳质量的恒星需要数万年，而类太阳恒星则需要数百万到数千万年。
在气体云内部收缩的团块中，原恒星随着引力势能转化为热能而形成。最初，原恒星比它们最终形成的恒星温度更低但光度更高，并且在演化过程中收缩并升温（但体积变小，用于辐射能量的表面积也随之减少）。当它们到达名为零龄主序的曲线时，这意味着恒星在大小和温度方面达到了平衡，但恒星的正式诞生要等到核聚变提供维持其光度所需的全部能量时才会发生，此时恒星表面和内部的引力收缩都将停止。不同质量（相对于1个太阳质量）恒星的演化路径在该曲线的不同位置有所标示。
核聚变确实在维持因引力收缩而开始发光的恒星方面起着重要作用，并且在提供能量以让恒星在整个生命周期内发光方面也起着重要作用。在恒星演化的后期，当它的核心耗尽氢燃料并膨胀为红巨星时，核心会进一步收缩并升温；如果核心能够启动氦聚变，那么氦聚变点燃的氦闪阶段将成为恒星演化中一个明确的节点，这可以通过恒星亮度和半径的变化从外部检测到。
但核聚变无法解释恒星为何具有它们现有的温度。它也无法解释恒星为何具有其现有的亮度。核聚变的启动不会产生任何即时或明显的外部后果或迹象——除非你附近有一台超灵敏的中微子望远镜。核聚变反应产生的辐射压并不能阻止恒星进一步坍缩（在包括太阳在内的大多数恒星中，它的贡献不到1％），相反，是恒星内部的气体压力在发挥这个作用。而恒星的正式诞生发生在内部引力收缩停止之时，因为此时核聚变提供的能量已能100％匹配恒星表面的总能量输出。
核聚变决定了恒星所有可测量属性这一说法无疑是天文学领域中最大的误解，无论是业余爱好者还是专业人士都存在这种误解。希望读完这篇内容后，你能对真实情况有更深入一点的了解
科学与技术 天体物理学 天文学 恒星演化 科学方法
BY: Ethan Siegel
FY: AI
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参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.原文来自： https://bigthink.com/starts-with-a-bang/biggest-misconception-astronomy/
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