Через те, що тривалість життя зірок настільки велика (до декількох десятків мільярдів років), астрономи не мають можливості простежити за життям хоча б однієї зірки від початку до кінця
Але зате вони мають можливість спостерігати за зірками, які знаходяться на різних стадіях свого розвитку. Об'єднавши дані, отримані від спостереження за різними за віком зірками, вчені змогли простежити за основними етапами життя типових зірок.
Зародження зірки починається з ущільнення речовини усередині туманності, яка складається з пилу і газів (в основному з водню). Утворювалося ущільнення поступове стискається під впливом гравітації, зменшуючись в розмірах. Під час такого стиснення, або колапсу, виділяється велика кількість енергії, що розігріває пил і газ, і що викликає їх світіння. В результаті цього народжується так звана протозвезда.
У центрі протозірки, або іншими словами в її ядрі, температура речовини і щільність - максимальні. При досягненні температури близько 10 000 000 градусів за Цельсієм в газі починають протікати термоядерні реакції. Ядра атомів водню, з'єднуючись між собою, перетворюються в ядра атомів гелію. При такому синтезі відбувається виділення величезної кількості енергії. У процесі конвекції ця енергія починає переміщатися в поверхневий шар протозвезди, а потім починає випромінювати в космос енергію у вигляді світла і тепла. Після початку цього процесу можна говорити про те, що протозвезда перетворилася на справжню зірку.
Випромінювання, яке виходить з ядра зірки, розігріває газове середовище, створюючи тиск, спрямоване в бік поверхні зірки, і цим перешкоджає гравітаційному колапсу. В результаті цих явищ зірка знаходить рівновагу, тобто набуває постійну для неї поверхневу температуру, розміри і кількість виділеної енергії. На цій стадії розвитку астрономи називають таку зірку зіркою головної послідовності, вказуючи її місце на діаграмі Герцшпрунга-Рассалла. Ця діаграма виражає зв'язок між температурою зірки і її світність.
Протозірки, що мають відносно невеликі маси, не нагріваються до температур, які необхідні для початку термоядерних реакцій. В результаті стиснення такі зірки, як правило, перетворюються в червоних карликів тьмяного кольору або навіть в ще більш тьмяних коричневих карликів. Вперше зірка-карлик коричневого кольору була відкрита тільки в 1987 р
Гіганти і карлики
Діаметр нашого Сонця приблизно дорівнює 1 400 000 км, воно випромінює жовтувате світло і має температуру поверхні близько 6 000 градусів за Цельсієм. Воно має вік 5 млрд років і входить до чільної послідовність зірок.
Приблизно за 10 млрд років водневе паливо на такій зірці, як наше Сонце, закінчується і в її ядрі залишається в основному гелій. При нестачі «палива», коли горіти вже нічому, інтенсивність спрямованого випромінювання від ядра вже недостатня для врівноваження гравітаційного колапсу ядра. Однак виділяється при цьому енергії, ще досить для розігріву навколишнього речовини. В оболонці починається синтез ядер водню з виділенням великої кількості енергії. Зірка починає світити яскравіше, але тепер уже світло її не жовтого, а червонуватий. Одночасно зі зміною кольору випромінювання змінюється і розмір зірки, збільшуючись в десятки разів. Тепер зірка називається червоним гігантом.
Ядро червоного гіганта починає стискатися, а температура зростає більш ніж 100 000 000 градусів Цельсія. Тут починає проходити реакція ядер гелію, перетворюючи гелій в вуглець. Завдяки цій реакції, зірка світиться ще якихось 100 млн років. Коли закінчується гелій і реакція загасає, гравітація поступово стискає то, що залишилося від зірки, приблизно до розмірів нашої Землі. Виділеної енергії досить, щоб зірка, яка тепер називається білим карликом, продовжувала ще деякий час яскраво світитися. Так як ступінь стиснення в білому карлику дуже велика, то і щільність речовини дуже велика, і вага речовини, яке може поміститися в столову ложку, може досягати тисячі тонн.
Зірки, що перевищують по масі наше Сонце в п'ять разів, еволюціонують трохи інакше, ніж найближча до нас зірка, та й життєвий шлях їх значно коротше. Температура поверхні таких зірок досягає 25 000 градусів Цельсія і вище, світить така зірка набагато яскравіше, але не довго. Період перебування таких зірок в головній послідовності становить приблизно всього 100 млн років. Коли зірка переходить на стадію червоного гіганта, температура в ядрі досягає 600 000 000 градусів за Цельсієм і більше. В ядрі відбувається реакція синтезу ядер вуглецю. Вуглець починає перетворюватися в більш важкі елементи, в тому числі і залізо. Відчуваючи на собі вплив виділяється їй самій енергії, зірка починає розширення і стає в сотні разів більші за своїх початкових розмірів. На цій стадії свого розвитку її вже називають надгігантом.
Стискаючись, ядро надгіганта утворює небесне тіло діаметром усього 10-20 кілометрів, але щільність його матерії настільки висока, що обсяг речовини, що поміщається в чайну ложку, може важити 100 мільйонів тонн! Це небесне тіло називають нейтронної зіркою, так як воно складається в основному з нейтронів. Нова нейтронна зірка володіє великою швидкістю обертання і відрізняється найсильнішим магнетизмом. В результаті цих двох явищ створюється дуже потужне електромагнітне поле, що випускає як радіохвилі, так і інші види випромінювань. Вони поширюються в вигляді променів з магнітних полюсів зірки. Проносячись повз наші радіотелескопи, вони сприймаються нами як короткі спалахи, або імпульси, тому ці зірки і називаються пульсарами.
Перший такий світловий пульсар виявлений в Крабовидної туманності, з періодичністю повторюваності імпульсів 30 раз в секунду. Імпульси інших пульсарів повторюються ще частіше. Так БЕНКЕТ (пульсуюче джерело радіовипромінювання) від 1937 + 21 спалахує вже 642 рази в секунду.
Зірки, які мають масу, в десятки разів перевищує масу Сонця, спалахують, так само як наднові, але з за їх величезної маси їх колапс тягне за собою більш катастрофічний характер. Стиснення, що має руйнівний характер, не припиняється навіть на стадії освіти нейтронної зірки. При цьому створюється область, в якій звичайна речовина припиняє існувати. Залишається лише одна гравітація, яка настільки сильна, що навіть світло не в змозі уникнути її впливу. Така область називається чорною дірою.