星星為什麼能持續發光數十億年？
營火幾個小時就會熄滅。然而太陽即使過了46億年，亮度依然不變。如果太陽是「燃燒」著的，早就該燒盡了。事實上，太陽並沒有在燃燒。發生的是完全不同的事情。而且亮度能保持不變，並不是偶然，而是一種平衡的結果。
晴朗的夜晚，天空中有許多發光的點。看起來都像是同一種「星星」。
然而，那些光點其實混雜了兩種東西。一種是自己發光的天體，另一種只是反射太陽光而已。後者就是行星，例如金星和木星。就像鏡子看起來會發光一樣，它們本身並不發光。
本文要談的是前者。太陽也是其中之一，是離我們最近、自己發光的星星。
那麼，它是以什麼作為能量來源發光的呢？如果像營火一樣是「什麼東西在燃燒」，答案就說不通了。因為燃料撐不了那麼久。
在中心處，4個氫原子核結合變成1個氦原子核。這時會變得稍微輕一點點，減少的質量就變成了能量。
想把自身壓垮的力與從中心往外推的力互相平衡。而且這個平衡還具有自動恢復原狀的特性。
這兩點同時成立，才能說明「數十億年來，亮度幾乎不變」的狀態。以下依序說明。
「燃燒」與星星內部發生的事，是完全不同的兩回事
營火或蠟燭發生的是物質與氧結合的變化。只是原子的組合改變，原子本身並沒有變。能取出的能量有限，沒有氧氣就會停止。
星星中心發生的完全不同。是原子核本身結合，變成另一種原子核。4個氫原子核聚在一起，變成1個氦原子核。與氧氣無關。
這裡發生了一件不可思議的事。生成的氦，比原本4個氫加起來稍微輕一點。消失的部分並沒有真的消失。而是變成了能量。
這「一點點」大約占整體的0.7%。看起來很小，但比起燃燒同樣重量的燃料，所釋放的能量要高出好幾個數量級。所以能持續數十億年。
日常生活中我們會說「太陽在燃燒」，這樣說也不會造成困擾。不過，如果思考原理時被這個說法牽著走，就會走進死胡同。因為如果真的是燃燒，燃料和氧氣都不夠，早就該熄滅了。
事實上，在19世紀這確實是個真實的難題。用當時已知的任何能量來源計算，太陽的壽命都只有數千萬年左右，與地質學顯示的地球年齡對不上。據說直到弄清楚原子核的機制後，這個矛盾才終於解開。
為什麼亮度不會改變
就算知道了能量來源，疑問還沒解決。為什麼過程中不會失控暴衝，也不會突然變暗呢？
星星本身正試圖被自己的重量壓垮。對抗這股力量的，是因中心高溫而向外推的力。這兩者在平衡狀態下靜止不動。
重要的是，這個平衡即使偏離，也會自己恢復原狀。
中心一收縮就會變熱，反應也會加快。推力增強，於是膨脹回到原狀。
一膨脹就會冷卻，反應變得平緩。推力減弱，於是收縮回到原狀。
就像油門和煞車自動連動一樣。快過頭就會冷卻變慢，慢過頭就會變熱加快。正是因為這種特性，星星才能長時間維持相同的亮度。
並不是因為燃料多，而是因為能自己抵消過頭的部分。
而這個狀態並非永遠持續。當中心的氫用盡，平衡的條件就會改變。星星會膨脹或收縮，改變樣貌。這條路徑幾乎由星星的質量決定。星星越重，發光越劇烈，壽命也越短。
太陽光可能對眼睛造成無法恢復的傷害。尤其絕對要避免用望遠鏡或雙筒望遠鏡看太陽。即使只是極短的時間，也被認為是危險的。
日食時也一樣。太陽眼鏡、黑色墊板或熏黑的玻璃都無法防護。若要觀察，請使用日食專用器材，並遵循販售方或天文台等專業機構的說明。若感覺眼睛異常，請勿自行判斷，應立即就醫看眼科。
可以自己動手確認的事
- 晴朗的夜晚，在稍微遠離路燈的地方，仰望天空約5分鐘
- 注意到有閃爍不定的光點和穩定不閃爍的光點
- 據說閃爍的多半是恆星，穩定的多半是行星
- 也留意顏色。有偏紅的光點、偏藍白的光點。這其實是在看表面溫度的差異
閃爍的差異，據說來自光是以「點」的形式抵達，還是以「小面積」的形式抵達。行星因為距離較近，看起來有一定的大小，大氣的擾動會互相抵消，所以閃爍不明顯。用肉眼就能充分分辨。這個原理在星星為什麼會一閃一閃地發光？中有詳細說明。
總結
星星之所以發光，是因為中心原子核彼此結合、變輕的部分轉變成了能量。這與燃燒完全是兩碼事。而亮度能維持數十億年不變，是因為壓垮力與反推力的平衡，即使偏離也會自動恢復。
夜空中的許多光點，
此刻仍在自行維持著平衡發光。
想知道更多 ― 用語、數值與教科書的連結從國中理科到目前仍在研究中的話題，都會明確標示屬於哪個程度
- 國中國中理科課程範圍
- 高中高中「物理基礎」「化學基礎」「地球科學基礎」課程範圍
- 高中＋高中「物理」「地球科學」，或教科書中屬於進階、專欄內容
- 大學高中不教、屬於大學專業科目（天體物理學）的內容
- 研究即使在大學也還不算「定論」、研究人員目前正在調查中的話題
國中用語：與星星有關的詞彙
- 恆星：自己發光的星星。太陽也是其中之一。本文中所寫的「星星」指的就是這個。
- 行星：繞著恆星運行、自己不發光的天體。地球和金星就屬於這一類。
- 核融合：較輕的原子核彼此結合，變成較重原子核的變化。本文中的「結合」指的就是這個。
- 質量虧損：結合之後變輕的現象。減少的部分會變成能量。
- 靜水壓平衡：想壓垮自身的力與往外推的力互相平衡的狀態。本文中的「平衡」指的就是這個。
高中用公式驗證：太陽每秒變輕多少公斤
接下來要實際動手計算。只會用到一個公式。就是高中物理「原子」單元中最有名的那個公式。
E ＝ m c²
| E 產生的能量 | 單位為 J（焦耳） |
| m 消失的質量 | 單位為 kg |
| c 光速 | 3.0 × 10⁸ m/s |
意思是這樣。質量消失了 m，取而代之會產生 m 乘上 c² 那麼多的能量。
c 是每秒3億公尺。把它平方後，c² 會是9京（10¹⁶）這個數量級。關鍵就在這裡。即使只消失1公克的質量，因為乘上的數字大得驚人，產生的能量也會非常龐大。
| 已知條件 太陽每秒釋放的能量 | E ＝ 3.8 × 10²⁶ J |
| 想知道的 每秒消失的質量 | m ＝ ？ |
| 先把公式對 m 求解 | m ＝ E ÷ c² |
| 先算出 c² | (3.0 × 10⁸)² ＝ 9.0 × 10¹⁶ |
| 代入數值 | m ＝ (3.8 × 10²⁶) ÷ (9.0 × 10¹⁶) |
| 答案 | m ≒ 4.2 × 10⁹ kg |
只是把公式變形、代入數字、做除法而已。光是這樣，就能算出太陽內部每秒發生的事。
4.2 × 10⁹ kg 就是42億公斤 ＝ 約420萬噸。相當於10艘大型油輪的質量，每秒都以質量的形式消失。
那麼46億年下來又是如何呢？這也能算出來。
| 1年換算成秒 | 約 3.15 × 10⁷ 秒 |
| 46億年是多少秒 | 4.6 × 10⁹ × 3.15 × 10⁷ ≒ 1.45 × 10¹⁷ 秒 |
| 這段期間消失的質量 | 4.2 × 10⁹ × 1.45 × 10¹⁷ ≒ 6.1 × 10²⁶ kg |
| 太陽整體的質量 | 約 2.0 × 10³⁰ kg |
| 占整體的比例 | ((6.1 × 10²⁶) ÷ (2.0 × 10³⁰)) × 100 ＝ 約0.03 ％ |
這裡我認為是這篇文章最讓人有實感的地方。每秒420萬噸這種難以想像的量，持續釋放了46億年，結果整體也才減少了約0.03%。星星之所以長壽，不是因為省著燃料用，而是從極微小的質量中，能取出的能量就是那麼龐大。
正文中寫到「大約變輕0.7%」。這也能用同樣的方法驗證。只要比較原子核的質量，算出減少的部分占原本的百分之幾即可。
| 4個氫原子核 | 約 4.032 |
| 1個氦原子核 | 約 4.003 |
| 減少的部分 | 4.032 − 4.003 ＝ 0.029 |
| 占整體的比例 | ((4.032 − 4.003) ÷ 4.032) × 100 ＝ 約0.7 ％ |
※ 質量為原子質量單位下的代表值。實際反應會經過幾個階段進行。
| 每秒釋放的能量 | 約 3.8 × 10²⁶ J |
| 質量 | 約 2.0 × 10³⁰ kg |
| 中心溫度 | 據信約 1500萬 ℃ |
| 表面溫度 | 據信約 6000 ℃ |
| 年齡 | 據信約 46億年 |
| 推估目前狀態能持續的期間 | 據信還有約 50億年 |
| 光抵達地球所需時間 | 約 8分鐘 |
高中＋為什麼結合需要高溫
所有原子核都帶正電，一旦靠近就會強烈排斥。要結合，就需要足以突破這股排斥力的能量。所以只有在像中心那樣的高溫高壓環境才會發生。
不過，用古典方式計算出的能量其實並不夠。反應之所以仍能進行，據說是因為存在粒子彷彿穿透牆壁般行為的現象。星星發光這件事本身，正是這種現象存在的證據之一。
另一個重點是反應速度對溫度有極強的依賴性。溫度只要稍微上升，反應就會大幅加快。正文中所寫的「自動恢復原狀」，正是因為有這種敏銳的特性才得以成立。
大學中心的光，不會立刻傳出來
在中心產生的能量，並不會直接穿越到表面。它會被周圍的物質一再吸收又重新釋放，一點一點地被搬運到外部。經過這樣的過程，抵達表面需要很長的時間。估計值有一定範圍，但多半被認為要數萬年以上。
另一方面，同一反應產生的微中子這種粒子，幾乎不與物質反應，能直接穿過。它從中心出發，約8分鐘就能抵達地球。換句話說，我們只能透過微中子，直接窺見太陽中心「現在」的狀態。
星星內部依位置不同，能量的傳遞方式也不同。有以輻射傳遞的層，也有物質本身上下運動來傳遞的層（對流層），兩者的分界位置會因星星的質量和年齡而異。這部分的處理，是建構恆星模型時較困難的環節之一。
研究即使是最近的恆星，也還有未解之謎
- 太陽內部組成，用兩種方法算出的結果不一致。一種是從太陽的振動推估內部結構，另一種是分析表面光線求出元素含量，兩者結果對不上。這被稱為太陽組成問題，據說尚未有定論。即使是研究得最透徹的恆星，也是這種狀況。
- 約11年的活動週期機制，尚無法完全解釋。黑子的增減與磁場方向的反轉大致呈週期性發生，這點已為人所知，但要事先準確預測週期的長度與強度，至今仍被認為十分困難。
- 最早誕生的恆星，至今尚未被直接找到。幾乎不含重元素的第一代恆星，理論上已被預測存在，但觀測上的確認仍是未來的課題。
- 星星內部的對流與自轉的處理方式，目前仍在持續改良中。這些因素會影響星星壽命的估算，因此「星星的年齡」是會隨方法不同而改變答案的數值。
星星發光原理的骨架已經確立，但細節部分仍有尚未釐清之處。教科書上寫的內容，和目前已知的事實，並不完全相同。
與教科書的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文位置 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・太陽系與恆星 | 恆星與行星的差異、太陽的樣貌 |
| 高中 | 物理基礎・能量的轉換 | 減少的質量轉變為能量 |
| 高中 | 地球科學基礎・太陽與恆星的演化 | 星星的一生幾乎由質量決定 |
| 高中＋ | 物理・原子核／量子的性質 | 突破排斥力結合的機制、反應的溫度依賴性 |
| 大學 | 天體物理學・恆星結構論 | 能量的傳遞方式、輻射層與對流層 |
| 研究 | 太陽物理學・恆星演化（未解決） | 太陽組成問題、活動週期、第一代恆星 |
| ― | 安全 | 不可直視太陽、日食觀察注意事項 |
- 日本國立天文台（国立天文台）關於太陽及恆星的解說資料。
- Bahcall, J. N. & Pinsonneault, M. H. 等人，關於標準太陽模型的一系列研究。
- Asplund, M. et al., The chemical composition of the Sun, ARA&A 47, 2009（太陽組成問題的起因，重新分析的論文）。
- Kippenhahn, R. & Weigert, A., Stellar Structure and Evolution（恆星結構的標準教科書）。
- 日本眼科學會（日本眼科学会）與日本國立天文台（国立天文台）關於日食觀察時眼睛安全的注意呼籲。
※ 溫度、年齡、質量的數值會因模型或觀測方法而有所差異。本文列出的是一般常被引用的參考值。
※本文為一般大眾取向的科學解說。關於太陽的觀察，請遵循日食專用器材的說明，以及天文台、眼科等專業機構提出的注意事項。文中所列數值僅為理解原理所用的參考值。