恒星演化中的水平分支：从红巨星到极端恒星的奇妙旅程

恒星演化中的水平分支：从红巨星到极端恒星的奇妙旅程

水平分支（HB）是质量与太阳相似的恒星在演化过程中的一个重要阶段。在这个阶段，恒星通过核心的氦融合和外层的氢融合产生能量，展现出独特的光度和温度特征。本文将详细介绍水平分支恒星的发现历史、演化过程、形态特征以及与其他恒星类型的关系。

水平分支的定义与特征

水平分支恒星的能量产生机制独特：它们在核心进行氦融合（三氦反应），同时在外层进行氢融合（碳氮氧循环）。当恒星从红巨星分支过渡到水平分支时，其整体光度会减少，外壳收缩导致表面温度升高。

球状星团M5的赫罗图。水平分支以黄色标示，天琴座RR型变星以绿色标示，还有较明亮的红巨星分支恒星以红色标示。

水平分支的发现

水平分支恒星最早是在研究球状星团的深度摄影影像中被发现的。与当时的疏散星团相比，球状星团中存在大量水平排列的恒星群体，因此得名“水平分支”。这些恒星在色-光图（CMD）上呈现出明显的水平分布特征。

恒星演化过程

在耗尽核心氢燃料后，恒星离开主序带，开始在核心周围的氢壳中进行氢融合，成为红巨星分支的成员。对于质量小于太阳2.3倍的恒星，氦核心会成为简并物质，但氢壳层的持续燃烧使氦核不断增长，温度逐渐升高。当恒星质量超过0.5倍太阳质量时，核心温度最终达到触发三α反应的条件，开始氦融合。这一过程可能引发氦闪，但非简并态的核心能更顺利地启动核聚变。恒星随后达到新的流体静力平衡状态，演化路径从赫罗图的红巨星分支切换到水平分支。

水平分支的形态特征

进入水平分支的恒星具有相似的核心质量，因此光度相近，在赫罗图上形成水平分布。恒星的大小和温度取决于氦核心周围的氢包层质量，氢包层越厚，恒星温度越低。在金属量较低的恒星中，这种温度变化效应更为明显，因此老的星团通常有更明显的水平分支特征。

最热的水平分支恒星被称为极端水平分支星，温度可达20,000-30,000K。这些恒星的高温可能源于AGB阶段的后期热脉冲，尽管这一过程较为罕见。

与红巨星分支的关系

水平分支恒星与红巨星分支恒星在核心进行相同的氦融合过程，但由于外层结构的差异，它们在赫罗图上的位置不同。红巨星分支恒星通常位于水平分支的红色端，有时难以与首次进入红巨星分支的恒星区分。