恒星演化理论的形成归功于天体物理学的发展。天体物理学发展的一个方面是研究工具和研究方法的进步,从利用望远镜观测发展到进行光谱分析。量子论从理论上解释了元素的光谱现象。天文学家根据天体的光谱,就能知道发光体由哪些元素构成,并且可以计算这些元素含量的比例。因此,天文学家可以在地球上对天体诸元素分析和温度推算。天文学家拍摄了几十万颗恒星的光谱照片。
        1914年,天体物理学发展史上一个重要里程碑的赫罗图正式被天文学工作者采用。在赫罗图上,千万颗恒星的复杂状况归纳总结成几种简单的情况,这显示了恒星世界内部可能存在共同的规律。
        恒星的光度和温度只是它们的表面现象。恒星为什么会发光?它们的能量是从哪里来的?这些问题很多人曾经探讨过,但没有找到答案。1938年,美国物理学家贝特(1906—)指出,在太阳内部那样高温情况下(摄氏1千万度以上),氢原子核可以聚变成氦核并且放出巨大能量。物理学家通过理论计算,证明太阳上具有的质量和核聚变所放出的能量,足够维持它在几十亿年辐射大量的能量。在核聚变的基础上,科学家发现所有恒星都要遵守一个共同规律,这就是恒星都要消耗本身的质量,通过核聚变把质量转化成能量,再通过辐射把能量传播出去,因此所有恒星都必然随着质量的消耗逐渐走向死亡,同时温度和光度也跟着发生变化。
        根据赫罗图和核聚变,英国天文学家霍伊耳(1915—)等人提出了恒星演化的理论。20世纪50年代以后,应用电子计算机进行分析计算,恒星演化的理论得到迅速的发展。
        恒星演化可以分为三个时期。第一个时期是恒星的形成时期。恒星起源于宇宙空间的大质量星云。理论计算指出,当星云密度足够大的时候,在引力的作用下开始收缩。随着收缩的进行,温度开始升高,氢原子电离为氢离子。星云进一步收缩成球状,这时候发出红外线辐射,叫做红外星。实际观测发现,有氢原子云、氢离子云和红外星存在。红外星进一步收缩,内部温度上升到摄氏一千万度左右的时候,氢不断聚变成氦。恒星演化就进入了第二个时期。
        在第二个时期里,恒星是相对稳定的。由于核反应产生巨大的能量,恒星内部压力足够和引力抗衡,不再收缩,这种恒星处在赫罗图上的主星序带,叫做主序星。象太阳这样的恒星,在主序星阶段要停留100亿年左右。当恒星内部的氢消耗完了的时候,恒星中间层的氢开始参加聚变反应,结果会使恒星体积增大几千倍。因为辐射能的增加赶不上表面积的增加,所以恒星表面温度降低,变成红颜色,体积大的红巨星。在红巨星内部,氦原子核可以聚变形成碳原子核。象太阳这样的恒星进入红巨星阶段以后可能停留十亿年左右。当红巨星内部所有可以发生核反应的物质都消耗完了的时候,恒星内部就失去了能量来源,它的寿命也就快结束了。因为恒星在主序星阶段的停留时间比其他阶段都要长得多,所以我们观察到的大部分恒星都是主序星。
        恒星演化的第三个时期是死亡时期。恒星的死亡有两种方式。不到太阳质量三倍的恒星内部核反应结束的时候,在引力作用下又开始收缩。恒星的体积变得很小,密度很大,演变成白矮星。比太阳质量大三倍的恒星,由于引力强,当内部核反应结束的时候,不是缓慢的收缩,而是迅速坍缩,同时外层的氢、碳等进行聚变反应发生大爆炸,使外层物质向星际空间抛射,形成星云,这就是超新星爆发。超新星爆发以后,留下的核心部分变成超高温、超高密度的状态,原子里的电子被挤入原子核和质子结合,形成中子星。如果超新星爆发以后留下的剩余质量仍旧大于两个太阳的话,那就形成比中子星密度更大的天体,它将具有极强的引力,任何物体掉到它的表面都再也不能离开,就是光也发射不出来,这种天体叫做黑洞。中子星和黑洞实际存在不存在呢?科学家们还在不断地研究和探索。
        从红外星起,经过主序星和红巨星阶段,最后变成白矮星,或者发生超新星爆发,这是一个恒星在时间上的演化序列。那么恒星在空间分布上是杂乱无章还是有内在联系的呢?这就是天文学另外一个分支——宇宙学所研究的问题了。