簡介
一顆恒星度過漫長的青壯年期——主序星階段，步入老年期時，将首先變為一顆紅巨星。稱為“巨星”，是突出體積巨大。在巨星階段，恒星的體積将膨脹到十億倍之多。
稱為“紅”巨星，是因為在該恒星迅速膨脹的同時，外表面離中心越來越遠，所以溫度将随之降低，發出的光也就越來越偏紅。不過，雖然溫度降低了一些，可體積如此之大，光度也變得很大，極為明亮。肉眼看到的最亮的星中，許多都是紅巨星。
在赫羅圖中，紅巨星分布在主星序區的右上方的一個相當密集的區域内，差不多呈水平走向。
分類
在赫羅圖上，紅巨星是巨大的非主序星，光譜屬于K或M型。所以被稱為紅巨星是因為看起來的顔色是紅的，體積又很巨大的緣故。鲸魚座的苧藁增二、金牛座的畢宿五、牧夫座的大角星等都是紅巨星；而天蠍座的心宿二、獵戶座的參宿四、大犬座VY等則是紅超巨星。
大部分的紅巨星，其核心是未聚變的氦，能量由氦核外的氫燃燒包層提供，它們在圖上構成了紅巨星分支（RGB星）。另外一些，其核心是碳等更重的元素，外部是在燃燒的氦包層和氫包層，它們構成了圖上水平的漸近巨星分支（AGB星）。在恒星大氣中碳含量比氧含量還高的碳星中，AGB星的光譜類型一般屬于C-N到C-R型。
演化
恒星依靠其内部的熱核聚變而熊熊燃燒着。核聚變的結果，是把每四個氫原子核結合成一個氦原子核，并釋放出大量的原子能，形成輻射壓。處于主星序階段的恒星，核聚變主要在它的中心（核心）部分發生。輻射壓與它自身收縮的引力相平衡。氫的燃燒消耗極快，中心形成氦核并且不斷增大。随着時間的延長，氦核周圍的氫越來越少，中心核産生的能量已經不足以維持其輻射，于是平衡被打破，引力占了上風。有着氦核和氫外殼的恒星在引力作用下收縮，使其密度、壓強和溫度都升高。氫的燃燒向氦核周圍的一個殼層裡推進。這以後恒星演化的過程是：内核收縮、外殼膨脹——燃燒殼層内部的氦核向内收縮并變熱，而其恒星外殼則向外膨脹并不斷變冷，表面溫度大大降低。這個過程僅僅持續了數十萬年，這顆恒星在迅速膨脹中變為紅巨星。
紅巨星一旦形成，就朝恒星的下一階段——白矮星進發。當外部區域迅速膨脹時，氦核受反作用力卻強烈向内收縮，被壓縮的物質不斷變熱，最終内核溫度将超過一億度，點燃氦聚變。最後的結局将在中心形成一顆白矮星。
如何定義
紅巨星是一種演化晚期的恒星，廣義上包括氫燃燒以後離開主星序的所有的大光度的恒星，它們位于赫羅圖的右方或右上方，屬于巨星支或超巨星支，通常這些巨星支或超巨星支的恒星大部分是體積和光度均很大的K型星和M型星，因而是光色發紅的低溫恒星，故稱為紅巨星，一部分則為O型和B型的藍巨星或藍白巨星，還有一些為亞巨星支的G、F、A型黃巨星或黃白巨星、白巨星，這類天體的一部分靠近主序的是剛剛從主序移出不久的主序後恒星，另一些則是演化過程中的處于某一階段的形式，在這一星族中，存在很多型的變星，如造父變星、天琴座RR型變星等，除此之外，一些處于演化早期的恒星也出現在這一區域中，如金牛座的T型星等，但這一類的恒星周圍常有彌漫的氣體雲，而一般的紅巨星則沒有，這是兩者現象的一個不同之處。
各類質量的恒星轉化為紅巨星的現象是不同的，對于質量較小的恒星（小于太陽質量的一半），氫耗盡後中心發生十分緩慢的收縮，最終在未引起氦燃燒以前就處于簡并态的電子氣的平衡态，因而收縮就會停止，而外殼則稍稍向外膨脹一下，即失去了可見光譜的輻射能力，轉化為核心物質周圍的冷的星雲，核心部分外層剩餘的氫由于不足以支持星體的輻射而逐漸熄滅，逐漸向簡并态電子氣平衡的核心收縮。星體核心物質轉化為一顆白矮星而消亡，質量更大一些的、在太陽質量1.8—2.2倍以下的恒星，氫耗盡以後核心也收縮為電子氣的簡并态平衡狀态，由于外層的氫燃燒産生的氦不斷加入，氦核心質量不斷增大，因而緩慢向内收縮，當中心的氦核心質量增大到0.45個太陽質量時，氦核心收縮的溫度使氦被點燃，核心物質在簡并态電子氣平衡的條件下發生核燃燒，産生的熱量使氦核心發生膨脹，進而恢複為電子氣的非兼并态，然後形成穩定的核燃燒，質量更大的恒星，内部會在非簡并态下直接發生核燃燒。
對于質量在太陽1.5倍以下的恒星，它在赫羅圖上的移動軌迹是一條底部略有曲折的斜向上的曲線，當恒星移 動到這條曲線的頂端時，即發生氦燃燒，爾後，由于恒星物質的熱逃逸，氦燃燒變得平穩，光度下降，移至略向左傾斜一點的位置，處于長期的停留狀态，而質量在太陽1.5倍以上的恒星，在赫羅圖上的移動曲線主要表現為一條水平的曲折的向上移動的軌迹，對于質量在太陽10倍以下的恒星，在移向赫羅圖右端時發生氦燃燒，質量大于太陽10倍的恒星，在離開主序後的左端部位即發生氦燃燒，氦燃燒的結果是生成碳。
這個反應通常稱為反應，實際上是按照上面兩步進行的，直接進行反應的幾率很小，由于生成的铍是具有放射性的，隻要在非常短的時間内就會重新分解為氦，所以第二步的反應必須緊接着第一步的反應很快地進行，反應才能完整地發生，這就要求星體内部具有較高的密度和溫度，這和氫的燃燒大不相同了。恒星内部的氦燃燒的時間比氫燃燒短得多，像太陽這樣的恒星可持續10億年，而質量在太陽幾倍到幾十倍的恒星，就隻有幾十萬年到幾千年，比主序星的壽命短得多，這就是為什麼恒星大多分布集中在主序上的原因。
形成原因
恒星開始核反應後在反抗引力的持久鬥争中，其主要武器就是核能。它的核心就是一顆大核彈，在那裡不斷地爆炸。正是因為這種核動力能自我調節得幾乎精确地與引力平衡，恒星才能在長達數十億年的時間裡保持穩定。熱核反應發生在極高溫度的原子核之間，因而涉及物質的基本結構。在太陽這樣的恒星中心，溫度達到一千五百萬開氏度，壓強則為地球大氣壓的三千億倍。在這樣的條件下，不僅原子失去了所有電子而隻剩下核，而且原子核的運動速度也是如此之高，以至于能夠克服電排斥力而結合起來，這就是核聚變。
恒星是在氫分子雲的中心産生的，因而主要由氫組成。氫是最簡單的化學元素，它的原子核就是一個帶正電荷的質子，還有一個帶負電荷的電子繞核旋轉。恒星内部的溫度高到使所有電子都與質子分離，而質子就像氣體中的分子在所有方向上運動。由于同種電荷互相排斥，質子就被一種電“盔甲”保護着，從而與其他質子保持距離。但是，在年輕恒星核心的一千五百萬開氏度的高溫下，質子運動得如此之快，以至于當它們相互碰撞時就能夠沖破“盔甲”而粘合在一起，而不是像橡皮球那樣再彈開。四個質子聚合，就成為一個氦核。氦是宇宙中第二位最豐富的元素。氦核的質量小于它賴以形成的四個質子質量之和。這個質量差隻是總質量的千分之七，但是這一點質量損失轉化成了巨大的能量。像太陽那樣的恒星有一個巨大的核，在那裡每秒鐘有六億噸氫變成氦。巨大的核能量朝向恒星外部猛烈沖擊就能阻止引力收縮。
然而，“恒定”的演化曆程終将結束，當所有的氫都變成了氦時，核心的火就沒有足夠的燃料來維持，恒星在主序階段的平靜日子就到了盡頭，大動蕩的時期來到了。一旦燃料用光，熱核反應的速率立即劇減，引力與輻射壓之間的平衡被打破了，引力占據了上風。有着氦核和氫外殼的恒星，在自身的重力下開始收縮，壓強、密度和溫度都随之升高，于是恒星外層尚未動用過的氫開始燃燒，産生的結果是外殼開始膨脹，而核心在收縮[3]。
在大約一億度的高溫下，恒星核心的氦原子核聚變成為碳原子核。每三個氦核聚變成一個碳核，碳核再捕獲另外的氦核而形成氧核。這些新反應的速度與緩慢的氫聚變完全不同。它們像閃電一樣快地突然起爆（氦閃耀），而使恒星不得不盡可能地相應調整自己的結構。經曆約一百萬年後，核能量的外流漸趨穩定。此後的幾億年裡，恒星處于暫時的平穩，核區的氦在漸漸消耗，氫的燃燒越來越向更外層推進。但是，調整是要付出代價的，這時的恒星将膨脹得極大，以使自己的結構适應于光度的增大。它的體積将增大十億倍。這個過程中恒星的顔色會改變，因為其外層與高溫的核心區相距很遠，溫度就低了下來。這種狀态的恒星稱為紅巨星。
按一般理論，紅巨星應有很厚的對流包層。一般認為，不少恒星在紅巨星階段大概要失去外層物質(這種物質可能形成行星狀星雲)，然後成為白矮星。看來紅巨星是大多數恒星要經過的重要演化階段，但要搞清楚紅巨星前後的演化過程，還需要解決許多實測問題和理論問題。
巨星真相
紅巨星衰亡時期外圍熾熱物質膨脹範圍模型。以太陽系為參照， 三個行星軌道從内向外依次是地球、火星和木星。 今天的全球變暖日益明顯，但是與天文學家從望遠鏡設備中觀測的宇宙中恒星的高溫膨脹過程相比，簡直就是小巫見大巫了。
通過國際天文學家合作研究發現，通過對宇宙深處數顆衰老膨脹的恒星及其周邊環境的仔細觀測，進一步揭開宇宙中衰亡恒星——紅巨星的真實面目；研究結果使我們可以清晰的預見數十億年後地球末日來臨時的情景：我們賴以生存的地球最終将面臨高溫熾熱的無情吞噬。因為經過天文學家測算，恒星在衰亡時将向外不斷膨脹，到那時候曾給予地球溫暖陽光的太陽最終也會把地球徹底烤幹。
此次天文學家對所觀測的獵戶座一等星參宿四(Betelgeuse)和大火(Antares)均屬于米拉級恒星，是紅巨星中體積最大的一類衰亡恒星，由于其體積異常龐大有時也會被成為紅超巨星。科學解釋認為在這類米拉級恒星星體中，供給其熱核反應堆能量的氫元素已經基本耗盡，此時這種衰亡恒星便會不斷向外圍膨脹，其擴張範圍的直徑将大大超出地球繞日軌道。而且中心的老恒星會象心髒一樣有規律地膨脹和收縮，這種規律性搏動周期大約僅需一年左右時間便可完成一次。
據法國巴黎天文台的研究人員蓋伊－佩蘭介紹，當的太陽在數十億年後也進入到這一階段，屆時其周邊溫度将急劇升高。預計随着恒星的規律性搏動，地球表面溫度最高将可能達到3000攝氏度。“這一直接的後果就是，地球上的生命将消失殆盡。”佩蘭博士說：“隻不過好在這是數十億年以後的事了。” 此次天文學家在研究工作中将數台大型望遠鏡組合起來，形成了一個高效的超大型天文觀測體系，利用幹涉測量技術，首次清晰地觀測到了恒星表面以外的光球層區域。
此次研究中的近紅外觀測數據均來自美國亞利桑那州史密森天體物理天文台。天文學家介紹稱：“每經曆一次規律性搏動過程，這些紅巨星便會失去部分質量，形成大量的星級介質。”根據佩蘭博士的解釋認為，實際測算顯示出每當這些衰老恒星膨脹收縮一次，就會有相當于三分之一個地球那麼多的物質被抛射到宇宙星際空間中，屆時我們将看到異常美麗的星雲擴散場面。不過到目前為止，科學家們還不清楚具體是什麼原因産生這一奇異過程。佩蘭博士說：“現在的觀點認為，這種擴張收縮過程使得恒星物質漂浮出星體表面，并形成了宇宙塵埃，同時在恒星發出象風一樣的光熱輻射作用下遠離星體，被吹向廣袤宇宙空間中。”
在此次最新研究中發現，就在這種恒星輻射風的後面，還存在着一層由水汽和一氧化碳物質層，這一氣體層遠離恒星表面并将星體團團圍住。這使得研究人員感到異常困惑，因為光靠大氣壓力的作用還不足以能支撐這一又高又厚的物質層。佩蘭和他的研究小組認為，很可能恒星離子在其中起到了一定作用。同時此次天文學家還通過研究進一步核實了米拉級恒星的直徑大小，他們認為此類紅巨星其表層直徑比早先認為的要小，大于隻有原先預計的70%左右。以太陽系作為參照，其恒星表層直徑大約在火星繞日軌道(大于地球繞日軌道)範圍左右；而最新發現的水汽和一氧化碳混合層則遠離恒星表層，其與恒星中心點距離大約相當于太陽系中火星木星之間的小行星帶軌道半徑距離。
此次研究小組美國成員，來自亞利桑那州圖桑市的美國國家光學天文台的斯蒂芬－瑞基韋表示：“此次的發現解決了以往對米拉級恒星體積大小的争論，同時也進一步描述出恒星衰老搏動的過程及其組成物質，這些發現對于其它恒星也将非常适用。”
到此為止我們可以最終得出這樣的結論：當我們的太陽衰老膨脹時，地球将被徹底吞噬并最終蒸發幹淨，同時緊挨地球的火星最終也将面臨被燒焦的厄運。如今所剩下的問題之一就是，象有些科學家推測的那樣，地球上的生命迹象到底是終結于極度幹旱呢，還是被最終被熾熱的太陽膨脹物吞噬後來個徹底的“油炸”呢！
天文發現
體積縮小
有研究發現，位于獵戶星座的紅巨星參宿四15年間體積竟縮小了15%，但天文學家無法解釋縮小之謎。參宿四是迄今（2012年）天文學家在宇宙中觀測到的十顆最明亮的恒星之一，它是天文學家熟悉的天文觀測目标，也是天文學家首次觀測到的超大質量恒星，這顆紅巨星是哈勃望遠鏡可以觀測到的清晰圓盤狀恒星，這是哈勃望遠鏡能夠拍攝到表面狀态的第一顆恒星。
發現碳元素
2012年8月22日，奧地利維也納大學發表公報說，該大學天文研究所的研究人員發現，一顆紅巨星被類似煤煙物質構成的雲層所包裹。研究人員借助歐洲南方天文台的甚大天文望遠鏡觀測這顆名為“R Fornacis”的紅巨星時發現，它被類似煤煙灰塵構成的雲層所包裹。由于紅巨星表面溫度低，碳元素豐富，因此可能出現複雜的碳氫化合物和固體物質塵埃。這些物質有可能形成适合生命的行星。
太陽演化
2012年8月，國際天文學家小組發現紅巨星将内側軌道天體吞沒的證據，暗示50億年後的太陽也會将地球摧毀。大約在50到75億年後，太陽将成為紅巨星，經過科學家們的計算，屆時太陽将變得異常巨大，足以吞噬掉目前（2012年）太陽系裡，包括地球、火星以内的内側行星，太陽的引力也會因為質量的減少而減弱，因此火星和所有的外行星，都會往外移。最終水星，甚至連金星都會被太陽吞噬掉。
