在恒星光谱分类的漫长历史中，碳星（Carbon Star）始终是一个令人着迷的例外。绝大多数恒星大气中氧的含量高于碳，但有一类恒星偏偏反其道而行——它们的碳氧比（C/O）超过了 1，大气中游离的碳原子像一层“煤灰”一样笼罩在恒星表面，把蓝光散射殆尽，只留下醒目的深红色。正是这种反常的化学构成，使碳星成为连接恒星内部核合成与星系化学演化的一条关键线索。
一、碳星是什么：从化学定义到可观测特征
碳星最硬性的定义只有一个：大气中碳原子的数量多于氧原子，即 C/O > 1。这个看似简单的数字门槛，带来了一系列连锁的物理后果。在恒星大气中，一氧化碳（CO）是最稳定的双原子分子；氧多时，所有碳原子都被 CO 锁住，剩余的氧形成 TiO、H₂O 等氧化物；碳多时，情形颠倒过来，氧被 CO 消耗殆尽，多余的碳则形成 C₂、CN、CH、C₃、HCN、C₂H₂ 等一系列碳基分子。因此，碳星的光谱中占主导的是碳分子吸收带，而非普通红巨星常见的金属氧化物谱带。
这一化学本质也直接决定了碳星的“长相”。碳分子对蓝紫光的强烈散射使碳星呈现出醒目的红色，同时使其在红外波段异常明亮，便于在银河系和河外星系中被识别出来。1869 年发现的第一颗碳星 G77-61，正是通过光谱中异乎寻常的碳分子带特征进入天文学家视野的。
二、两条形成路径：内因碳星与外因碳星
碳星并非单一成因的恒星族群。当前的认识将碳星的形成机制分为两条根本不同的路径。
内因碳星形成于渐近巨星支（AGB）阶段。质量大致在 1.5 至 3 倍太阳质量之间的恒星，在 AGB 阶段经历反复的热脉冲。每一次热脉冲之后，对流区会将氦燃烧壳层中刚刚合成的 ¹²C 向上“翻搅”到恒星包层，这一过程被称为第三次上翻。随着热脉冲的累积，表面的碳丰度逐步升高，当 C/O 终于突破 1 时，恒星便成为一颗碳星。内因碳星通常还表现出慢中子俘获过程（s-过程）元素的增丰，因为 ¹³C(α, n)¹⁶O 反应为 s-过程提供了中子源。C-N 型碳星是这一类形成通道最清晰的代表。
外因碳星则诞生于双星系统。一颗已经经历 AGB 阶段并抛射了富碳物质的伴星（如今通常是一颗白矮星），将碳丰富的物质转移给尚未演化到 AGB 的次级星，使其表面碳丰度被动升高。CH 星和 Ba 星是外因碳星的典型代表：CH 星光谱中以 4300 Å 附近的 CH G 带为标志，Ba 星则以 Ba II 4554 Å 和 Sr II 4077 Å 等 s-过程元素谱线为特征。C-R 星的情况更为特殊，它们可能是双星在尚未进入巨星阶段就发生并合、并合过程中将氦闪产生的碳混合到表面的产物。
三、分类体系与观测手段的演进
1996 年伯恩鲍姆等人修订的 MK 分类体系将碳星分为 C-H、C-R、C-J、C-N 以及 Ba 星等主要子类。这些子类不仅对应不同的光谱形态，也指向不同的形成通道和星族归属。C-H 星运动速度快、金属丰度低，多分布于银晕，是典型的星族二双星系统；C-N 星集中于银盘低银纬区域，是 AGB 内因碳星；C-R 星则是厚盘中的并合产物。
在观测层面，碳星的搜寻效率在过去十余年间发生了质的变化。20 世纪 70 年代到 2000 年代初，天文学家耗时约三十年才累积发现六千余颗碳星。而郭守敬望远镜（LAMOST）投入运行后，仅用四年数据便发现了约三千颗碳星；基于 LAMOST DR12 的机器学习识别模型进一步将碳星候选体总数推至 5369 颗，其中包括 2137 颗 Ba 型、1510 颗 CH 型、384 颗 CN 型和 1195 颗 CR 型。2026 年詹姆斯·韦布空间望远镜的中红外光谱则从另一个方向上推进了认知：在大麦哲伦云碳星中，C₃ 分子被确认为 5.2 微米强吸收带的载体，部分此前被认为来自 SiC 尘埃的弱发射特征可能需要重新审视。
四、碳星的科学价值：从恒星物理到星系演化
碳星的意义远不止于一类“光谱奇特的红星”。它们是理解几个相互交织的天体物理问题的天然实验室。
在恒星物理层面，碳星直接记录了 AGB 阶段核合成产物如何被输送到恒星表面。热脉冲的频次、第三次上翻的效率、质量损失对表面碳增丰的截断，都在碳星的光谱和星周包层中留下了可测量的印记。模型显示，1.5 至 1.6 倍太阳质量的恒星可能仅在最后一次热脉冲时才成为碳星，碳星寿命只有数万年；而 3 倍太阳质量的恒星可以经历多达约 25 次热脉冲，碳星阶段可延续到百万年量级。
在星系尺度上，碳星是极其有用的距离示踪体和星族探针。它们光度较高、颜色醒目，在邻近星系中容易被识别，因此常被用于测定星系距离和研究恒星形成历史。CH 星在银晕中的分布、C-N 星在银盘低纬度的聚集、Ba 星与 C-R 星在运动学上的差异，共同勾勒出银河系不同星族组分的空间结构与并合历史。
离我们最近的碳星——狮子座 CW 星（IRC+10216）——则提供了一个极为精细的化学窗口。在它浓密的星周包层中，天文学家已经探测到超过一百种分子，包括长碳链分子和多种在地球实验室中难以稳定存在的物种，使这颗碳星获得了星际“分子工厂”的称号。对它的研究，既服务于恒星演化理论，也为理解星际有机化学的起点提供了观测基准。
Q1：碳星和普通红巨星有什么区别？
普通红巨星（如 M 型星）大气中氧多于碳（C/O < 1），光谱由 TiO、H₂O 等含氧分子主导；碳星则相反，C/O > 1，光谱由 C₂、CN、CH 等碳分子主导。两者的根本区别不在于温度或光度，而在于大气化学平衡的方向。
Q2：碳星的大气为什么像“煤灰”？
因为碳多于氧，CO 形成后氧被耗尽，剩余的自由碳原子结合成 C₂、CN、CH 甚至更复杂的碳链分子和碳尘颗粒。这些碳基物质对蓝光的散射和吸收极强，使恒星大气呈现浓重的红色，视觉上类似覆盖了一层煤灰。
Q3：所有碳星都处于 AGB 阶段吗？
不是。内因碳星确实处于 AGB 阶段，但外因碳星（CH 星、Ba 星）是双星质量转移的产物，其中 Ba 星本身尚未演化到 AGB；C-R 星则可能是双星并合的产物，也不处于典型的 AGB 演化阶段。
Q4：碳星和 S 型星是什么关系？
S 型星是碳氧比接近 1 的过渡天体。在 M 型星（C/O < 1）向碳星（C/O > 1）演化的过程中，大气化学组成会经过 C/O ≈ 1 的阶段，S 型星正是这一过渡状态的光谱表现。
Q5：为什么碳星能用来测量星系距离？
碳星光度较高，在光学和红外波段明亮且颜色特征显著，容易被批量识别。在邻近星系中，碳星的实际亮度分布具有一定的可标定范围，因此可以作为距离指示物，同时其空间分布也能反映星系中中等年龄星族的分布。
Q6：碳星和地球上的“碳”有关系吗？
有间接关系，但碳星本身不是碳基生命的场所。碳星通过星风和最终的行星状星云阶段，把内部合成的碳以及 s-过程元素抛射到星际介质中，参与了银河系化学元素的循环。地球上的碳，在漫长的宇宙化学演化链条中，与这类恒星抛射的物质属于同一循环体系。
Q7：离我们最近的碳星是哪一颗？
狮子座 CW 星（CW Leonis，即 IRC+10216），距离约 400 光年。它是一颗正在抛射富碳物质的 AGB 碳星，周围浓密的星周包层中已探测到超过一百种分子，是研究碳星化学最著名的“天然实验室”。
Q8：LAMOST 在碳星研究中做了什么？
LAMOST 的大规模光谱巡天将碳星搜寻效率提升了一个数量级。基于 LAMOST 数据，研究人员在数年内发现了数千颗碳星，并按照 C-H、C-R、C-J、C-N、Ba 等子类进行了系统分类，为研究不同类型碳星的起源、运动学和空间分布提供了此前难以企及的样本基础。