你有聽過「主序星」這個名詞嗎？

在夜完中絕大多數你見到的星星，其實都屬於同一個「人生階段」——它們叫做「主序星」（Main Sequence Star）。如果把恆星的一生比作一個人的人生，主序星就是那段最長、最穩定、最像日常生活的時期：上班、吃飯、睡覺，按部就班，穩穩定定地燃燒能量維持自己。太陽就正是其中一員。

主序星是甚麼？為何大部分星星都是主序星

主序星指的是恆星演化中最長、最穩定的一個階段：核心以氫融合（hydrogen fusion）形成氦，釋放巨大能量。這種能量向外推，剛好抵消星體自重的向內重力，達致「流體靜力平衡」（hydrostatic equilibrium）。因為這個平衡長期可維持，主序階段會佔據恆星一生的絕大部份時間——對太陽級別的星來說，約有 90% 生命都在主序。

你在夜空見到的多數「固定星」都是主序星，原因有二：第一，主序階段長，遇見它們的機率自然更高；第二，主序星的亮度與顏色跨越很大範圍，從藍白到紅橙，容易在各種望遠鏡巡天中被觀測到。

從「恆星嬰兒」到「主序成年人」：如何誕生

恆星由冷而稀薄的星際氣體雲在重力作用下塌縮而成。當雲團分裂、密度上升，形成所謂「原恆星」（protostar）。原恆星像是尚未開爐的廚房：氣體在引力作用下變熱，但核心溫度仍未高到點燃。當核心溫度升至約一千萬度（10 million K），氫原子核（質子）開始透過「質子-質子鏈」（proton-proton chain）或「CNO 循環」（CNO cycle）融合成氦，主序階段正式開始——廚房終於點火了。

一顆恆星什麼時候進入主序，關鍵在於它的質量（mass）。質量越大，重力壓縮越強，核心升溫越快，越早點燃；質量太低（低於約 0.08 倍太陽質量），核心溫度永遠不足以點燃氫融合，它們就成了「棕矮星」（brown dwarf），不會成為主序星。

主序星如何穩定發光：內部的力學與能量運輸

一顆主序星之所以「穩定」，是因為兩種力量長期拉鋸但達到平衡：向內的重力，和由核心融合釋放能量造成的向外壓力。這個平衡就像香港地盤的棚架：外力內力互相抵銷，整體不致倒塌。

能量由核心產生之後，必須向外傳遞至表面，才能以光和熱的形式散發。恆星內部主要有兩種能量傳輸方式：

• 輻射傳輸（radiative transfer）：像光子在密林穿梭，不斷被吸收與再發射，向外「漫步」。
• 對流（convection）：像滾動的滾油，熱的物質上升、冷的物質下降，形成大尺度翻滾。

不同質量的主序星，內部結構不同：低質量星（如紅矮星，red dwarf）整體容易對流；像太陽這類中等質量星，內部是輻射主導、外層有對流；高質量星（質量大於約 1.3 倍太陽）核心對流、外層輻射。這種差異會影響恆星如何把燃料混合、如何演化，也就是它們的壽命與結局。

主序星的顏色與溫度：從藍到紅的彩虹序列

主序星的顏色與表面溫度密切相關。天文學上用光譜型（spectral type）來分類：O、B、A、F、G、K、M，從最熱最藍（O 型，表面溫度可達 30,000 K 以上）到最冷最紅（M 型，約 2,500–3,500 K）。太陽是 G2 型，約 5,800 K，偏黃白。

溫度決定恆星表面的「黑體輻射」（blackbody radiation）峰值位置：越熱，峰值越偏向藍光與紫外，越冷則偏向紅光與紅外。你可以用炒鑊當比喻：鑊燒得越熱，顏色越接近白藍；不太熱時，看起來偏紅。

赫羅圖：主序星的「大合照」

如果把恆星的亮度（luminosity）對上它們的表面溫度或顏色畫圖，你會得到著名的「赫茲普龍—羅素圖」（Hertzsprung–Russell diagram，簡稱 HR 圖）。在這張圖上，大部分恆星沿著左上至右下的一條帶狀分布，這條帶便是「主序」（main sequence）。左上角是又熱又亮的高質量主序星，右下角是冷而暗的低質量主序星。

HR 圖像是一張班級合照，以身高（溫度）和體重（亮度）來排位。只要知道一顆星的顏色和亮度，大致就能判斷它是否在主序，以及它的質量與年齡範圍。

質量是命運：主序星的壽命、亮度與燃料效率

主序之所以長，是因為氫很多、轉換能量很有效。但不同質量的恆星，壽命差距極大。最重要的近似關係有兩個：

• 亮度與質量關係（mass–luminosity relation）：對主序星，亮度 L 約與質量 M 的某個冪次相關，粗略寫作 L ∝ M^3.5（在不同質量區間冪次不同，但這是常見近似）。
• 壽命與質量關係：恆星壽命大致 ∝ 燃料量 / 消耗速率 ∝ M / L，因此 τ ∝ M / M^3.5 ≈ M^−2.5。質量越大，雖然有更多燃料，但燒得更瘋狂，壽命反而更短。

結果是：高質量藍色主序星壽命只有幾百萬到幾千萬年；像太陽這樣的星，主序壽命約 100 億年；而紅矮星可以活上數千億甚至上兆年——比現時宇宙年齡還長。這意味著宇宙中最小的主序星，至今還沒有一顆走到生命盡頭。

兩條「燃燒途徑」：pp 鏈與 CNO 循環

主序星把氫變成氦的方式主要有兩種核融合途徑：

• 質子-質子鏈（proton–proton chain，pp 鏈）：在像太陽或更低質量的恆星中主導。它不需要大量「催化劑」，溫度門檻較低。
• CNO 循環（CNO cycle）：在較高質量、核心更熱的恆星中主導。它利用碳、氮、氧作為「催化劑」循環，把質子合成到氦上，效率對溫度極度敏感，核心稍熱就會大幅加速。

因為 CNO 循環對溫度敏感，高質量星的能量產生非常集中於核心，導致核心對流；而太陽這類以 pp 鏈為主的恆星，能量產生分布相對溫和，核心輻射為主。這些差異會反映在恆星的震盪（asteroseismology）、化學混合和表面活動上。

化學成分與金屬量：主序星的「口味」

天文學把氫和氦以外的元素統稱為「金屬」（metals）。主序星的金屬豐度（metallicity）會影響其不透明度（opacity）、能量輸送與光譜特徵，從而改變它在 HR 圖上的位置和壽命。金屬多的星，像加了更多「霧」在星內部，光子較難穿透，對流區域可能更厚；金屬少的星更透明，內部結構不同，亮度和溫度也會改變。

研究不同金屬量的主序星，能幫我們回溯銀河系化學演化：早期宇宙形成的老星金屬量低，後來一代代超新星把重元素拋回星際介質，下一代恆星金屬量提高。這就像茶餐廳的大炒鑊：越炒越「鑊氣」重——宇宙也越來越「入味」。

如何判斷一顆星是否在主序：觀測方法

天文學家常用以下幾種方法判斷恆星是否在主序：

• 光譜分類（spectral classification）：透過吸收線特徵判定溫度與重力。主序星（光度分類 V）表面重力較高，譬如氫線與金屬線的寬度會反映出重力與壓力。
• 視差與亮度（parallax and luminosity）：由 Gaia 等衛星測距，結合光度與顏色，放到 HR 圖上，看其是否落在主序帶。
• 恆星震盪學（asteroseismology）：利用星光亮度的微小振動頻譜，反演內部結構與年齡；主序星有特定的震盪模式。
• 活動指標與自轉（activity and rotation）：年輕主序星通常自轉較快、磁場活動較強（例如 Hα 或鈣 II H&K 線的發射），雖非絕對，但可輔助判斷演化階段。

太陽就是主序星：

太陽目前約 46 億歲，正處於主序中期，核心主要以 pp 鏈把氫融合成氦。每秒釋放的能量約 3.8×10^26 瓦，當中只有極細的一部分到達地球，但已足夠驅動天氣、海洋、生態與我們手上的太陽能板。

太陽核心溫度約 1,500 萬 K，密度如鉛，卻像煤氣爐般穩定。從核心「誕生」的一枚光子，透過輻射漫步可能要走上十萬年才到達外層，再在光球放射出來，8 分鐘後抵達你窗邊的窗台。這個龐大而溫柔的機器，完美示範了主序星的穩定與可靠。

主序星會變嗎？磁場、黑子與恆星風

主序不是一成不變。一些現象讓主序星顯得「有性格」：

• 恆星黑子（starspots）與週期：像太陽黑子一樣，由磁場活動驅動，造成光度微變與耀斑（flare）。
• 恆星風（stellar wind）：主序星會持續拋出帶電粒子，長期可導致自轉變慢，亦會影響周圍行星的大氣。
• 自轉與混合：快速自轉可促進化學混合，影響核心燃料供應，間接改變壽命與亮度。

對於有行星系的主序星，這些活動會直接影響「適居性」（habitability）。例如強烈的紫外和 X 射線輻射可能侵蝕大氣；但穩定長壽的紅矮星又可能提供漫長的演化時間。這正是系外行星（exoplanets）研究最火熱的交叉領域之一。

主序的開始與結束：點火與離席

主序的開始是氫融合點燃；那何時結束？當核心的氫被消耗得差不多時，核心的氦比例升高，壓力支撐減弱，核心在重力下收縮、升溫，外層膨脹、表面變冷——恆星走出主序，踏入次巨星（subgiant）與紅巨星（red giant）階段。

不同質量的結局大相逕庭：像太陽這類的最終會成為行星狀星雲與白矮星（white dwarf）；高質量主序星最終可能爆發為超新星（supernova），留下中子星（neutron star）或黑洞（black hole）。但那已是離開主序之後的故事了。

為何主序如此重要：宇宙學與銀河系的「標準尺」

主序星在天文學的角色不只是「最多」，還是「標準」。天文學家會用「主序擬合」（main-sequence fitting）來估算星團距離：把星團的 HR 圖主序與已知距離的標準主序對齊，便能推得距離模數。這方法在 Gaia 精準測距前尤其關鍵。

此外，主序的形狀與轉折點（turn-off point）能揭示星團年齡：主序轉折點所在的質量，反映該團體中最先離開主序的星之壽命，從而推得星團的年齡。這是我們理解銀河系盤面與球狀星團形成歷史的重要工具。

認識夜空中不同的主序星

在城市光害下，仍能看到幾顆亮星，它們中不少是主序或接近主序階段：

• 天狼星（Sirius）：冬季夜空最亮星，A 型主序，白藍色，亮得像 LED。
• 老人星（Canopus）：亮度極高，但它是超巨星，作對照可認顏色與亮度之差。
• 比鄰星（Proxima Centauri）：肉眼看不到，但它是最近的紅矮主序星，有系外行星，常在科學新聞出現。
• 織女星（Vega）：A0 主序，夏季亮星，藍白且潔淨的光。

若你帶上小型雙筒望遠鏡到較暗的地方（如萬宜水庫附近的觀景點），留意顏色差異：藍白色一般較熱、紅橙色較冷，多半都是主序星的不同「年齡與體型」。

最新研究前沿：從精確恆星物理到行星適居

近年，Gaia 的高精度天體測量，連同 TESS、Kepler 的光變資料，讓我們能以恆星震盪學精確測出主序星的質量、半徑與年齡，誤差可低至數個百分比。理論上，三維輻射磁流體力學（3D RMHD）模擬，從對流、磁場到表面粒子加速，都在快速進步，改寫我們對「黑子週期」與「磁層風」的理解。

此外，金屬量與行星形成的關聯已成共識：金屬量高的主序星更容易擁有巨行星；而對於岩石行星與可居住帶（habitable zone），恆星紫外輸出與活動度是關鍵變量。這些研究直接指導我們在銀河系中尋找「第二個地球」。

常見迷思與澄清

• 「主序星就是年輕星」：不一定。主序可以佔據絕大部分壽命，像太陽在主序已經幾十億年，談不上「年輕」。
• 「顏色越紅代表越老」：顏色主要反映溫度與質量，非單純年齡。紅矮星可以非常年輕也可以非常老。
• 「主序星不會變亮」：會的。隨著核心氦增加、平均分子量上升，為維持平衡，核心溫度與密度上升，恆星會逐步變亮。太陽自形成以來亮了約 30%。

結語：理解主序星，就是理解星與生命的「日常」

主序星不是舞台上最耀眼的煙火，也不是最驚心動魄的終幕，但它是宇宙戲劇的主旋律。從它如何平衡重力與壓力、如何以核融合穩定供能、如何因質量與金屬量而千變萬化，到它如何影響行星與生命的條件，主序星串連起天文學的核心概念：結構、演化、觀測與生命的可能性。

下次在維港邊散步，見到夜空中那一點點恆久的光，可以想像它們大多正在經歷漫長的主序歲月——像我們的日常，平穩卻關鍵，普通卻深邃。理解主序星，某程度就是理解我們賴以生存的太陽，也是在理解宇宙持久運行的秩序。