碳星是一種大氣層內碳元素含量超過氧的恒星，其外觀類似于紅巨星，有時也會表現為紅矮星。這些元素在恒星大氣高層結合形成一氧化碳，耗盡氧氣，僅留下自由碳與其他碳結合，使恒星充滿類似“煤灰”的大氣層，呈現醒目的紅色。
碳星的溫度通常在2500-3500K之間，但也有一些如北冕座R這樣的恒星，其表面溫度可達6500K。碳星的質量相對較低，這是因為它們通過恒星風失去了大量的物質。這些恒星的前身為比太陽大幾倍的中大型恒星，已進入恒星生命周期的末期，正經歷一系列變化，最終將演化為伴星。碳星的光譜特征明顯，最早在1860年由佩特·西奇在天文分光學研究中標注出來。典型的碳星包括獵犬座Y和天兔座R（欣德的紅星）。
星體構造
碳星的表層含有豐富的碳元素，超過了氧。例如，天鵝座TT型星就是一種溫度較低的紅巨星。通過毫米電波望遠鏡陣列拍攝的假色圖像顯示，一氧化碳分子圍繞著天鵝座TT型星。這些一氧化碳源自紅巨星在過去數百年內噴發的氣體，外部薄環的半徑約為四分之一光年，實際上是自六千年前開始膨脹的氣體層。由于碳元素可能來源于恒星內部氦融合的產物，因此這些恒星被稱為碳星。碳星通過恒星風釋放了大量的質量，這些質量約占恒星總質量的很大一部分。釋放的恒星風形成了星際氣體，這些氣體將成為未來新生恒星的組成部分。天鵝座TT星距離地球約1500光年。
物理機制
碳星的形成可以通過幾種主要機制來理解。首先，傳統的碳星形成機制涉及恒星在其生命末期的演化過程。當恒星進入漸近巨星分支（AGB）階段時，內部的氦融合產生了大量的碳。在這一階段，氦融合的產物通過對流作用被帶到恒星表面，使得恒星的外層富含碳。
在AGB階段，氫殼層還在進行氫融合，但這一過程通常只持續很短的時間。隨著氫融合的停止，氦融合成為主導過程，導致恒星的亮度顯著增加和外層膨脹。最終，恒星的外層物質被拋射形成行星狀星云，而核心則變成熾熱的伴星。
此外，碳星也可以通過非傳統的機制形成，特別是在雙星系統中。一顆恒星可能是巨星，而另一顆則是白矮星。在這樣的系統中，白矮星可以從主星獲得物質，這些物質的碳含量使得主星最終變成富含碳的碳星。這種類型的碳星被稱為“外因”碳星，與傳統的AGB形成機制有所不同。
此外，存在一些較少被接受的機制，例如通過碳氮氧循環的不平衡或核心氦閃等方式來解釋碳星的形成。然而，這些機制的實際效果和可信度相對較低?？傮w來說，碳星的形成涉及復雜的恒星演化過程及其不同的物理和化學機制。
觀測碳星
碳星的光譜以C2碳分子的斯旺譜線（Swan Bands）為主導，同時還包含CH、CN（氰）、C3和碳化硅2等多種碳化合物。碳在核心形成并通過擴散影響上層結構。其他通過氦融合和S-過程形成的元素，如鋰和鋇，也通過同樣的途徑向上層輸送。然而，天文學家在建立實際溫度與光譜之間的聯系時遇到了巨大的挑戰，因為所有被大氣層中的碳掩蓋和吸收的譜線通常用于顯示恒星溫度。
參考資料 >
宇宙中含碳最多的天體，它是恒星年老后的真實寫照.新浪網.2024-08-14
天鵝座TT是一顆碳星.微博.2024-08-14
頂著“煤灰”狀大氣的碳星.微信公眾平臺.2024-08-14
宇宙的最新發現——碳星，人類對于碳星的研究與探索歷程是怎樣的.網易.2024-08-14