在恒星光谱分类的序列里，O、B、A、F、G、K、M是大多数人熟悉的字母。如果一颗恒星的光谱被标上“S”，它既不在这个序列的末端，也不属于某个广为人知的大类。S型星是一类特殊而稀少的晚期巨星，它们在光谱中留下了独特的化学印记，也在小质量恒星的晚年演化中扮演着承前启后的过渡角色。理解S型星，本质上是在理解一颗恒星如何“清理”自己一生制造的碳与氧，以及如何把内部深处合成的重元素搬运到可以被望远镜看见的地方。
一、S型星的定义：光谱中的ZrO“签名”
S型星最直接的定义来自光谱。根据天文学名词的定义，S型星的光谱型为S，整体特征与M型巨星相似，但突出的分子带属于Zr（锆）、Y（钇）、Ba（钡）等的氧化物。在可见光波段，M型巨星的光谱通常被TiO（氧化钛）分子带主导；S型星则不同，其TiO带显著减弱，ZrO（氧化锆）带成为最醒目的标识之一。这种光谱组合使S型星在M型星与碳星之间占据了一个独立的位置。
不过，单凭ZrO带只能识别出一颗“光谱型为S”的恒星，还不足以理解它为什么出现。S型星的物理身份，需要放进渐近巨星分支（AGB）的演化框架中才能看清。
二、在恒星演化中的位置：M型到碳星的过渡站
S型星是低质量恒星演化到晚年的产物。当一颗质量大致在太阳量级附近的恒星耗尽了中心氦燃烧的燃料，它会进入AGB阶段。进入热脉冲AGB阶段之后，恒星内部的对流“挖掘”过程会将碳元素以及慢中子俘获过程（s过程）合成的重元素输送到表面，改变大气中的化学组成。
这里的关键参数是碳氧比（C/O）。M型星的大气以氧为主，C/O小于1；碳星的大气以碳为主，C/O大于1；而S型星恰好位于两者之间，C/O通常在0.5到1之间。正因为如此，S型星被视为小质量恒星从M型星向碳星演化过程中的中间阶段。它不是一种“终点”恒星，而是一段化学组成正在被内部过程快速改写的过渡状态。
这一过渡状态在时间上并不漫长。有统计指出，大约12%的AGB恒星会经历S型光谱阶段。这意味着，在任何一个时刻用望远镜扫过一片AGB星群，S型星的数量都远少于M型星或碳星。稀少，本身是它处于“过程中”的证据。
三、两类S型星：内禀与外赋
S型星的研究中最富信息量的区分，来自放射性元素锝（Tc）。锝没有稳定同位素，最长寿命的同位素半衰期也在百万年量级。如果一颗S型星的光谱中出现了Tc线，说明这颗星在近期——从天文学尺度上说——“刚刚”合成了锝，它不可能来自远古遗留。
根据Tc线是否存在，S型星被分为内禀S型星和外赋S型星。
内禀S型星是真正的热脉冲AGB星。它们在内部通过s过程合成包括Tc在内的重元素，再经由第三次挖掘（third dredge-up）把这些产物带到表面。Tc的存在因此是内禀S型星正在“自我生产”重元素的直接证据。
外赋S型星则通常处于双星系统中，伴星是一颗已经熄灭的白矮星。这颗白矮星的前身曾经是一颗AGB星，在它还是巨星的时候，通过星风或物质转移把富含s过程元素的物质抛给了当前这颗S型星。由于质量转移发生在很久以前，当年随物质一起送来的Tc已经衰变殆尽，所以外赋S型星的光谱中通常没有Tc线。
近年来，高分辨率光谱还揭示了一种更微妙的混合情形：有的S型星既有Tc线，又有铌（Nb）的过丰度。Nb的过丰度通常被理解为外赋污染的痕迹，因为衰变链中的93Zr会在漫长时间里变成稳定的93Nb；而Tc的存在又指向内部正在进行的核合成。这类同时携带两套化学记忆的天体被称为“双内禀”（bitrinsic）S型星，说明内禀与外赋的二分法虽然有效，却并非一道绝对清晰的界线。
四、化学、脉动与质量损失
S型星的大气是s过程元素的展示窗口。除了ZrO，钇、钡、锝、铌等元素的谱线或分子带在S型星中往往明显增强。这些元素不是恒星“天生”就有的，而是在AGB阶段内部的中子俘获反应中逐步搭建起来的。S型星因此成为研究s过程核合成及其“输出”机制的天然实验室：内部合成了什么，通过挖掘被带到表面多少，星风又带走了多少，都可以从光谱和包层性质中寻找线索。
在观测特征上，S型星通常比同光球温度的K型或M型星更红。许多S型星是长周期变星，脉动周期大致在50天到1000天的范围内，光变幅度可以超过一个星等，周期行为有时呈现交替性或不易确认的复杂特征。脉动的驱动力与恒星包层的不透明度变化有关，而包层质量达到某一阈值时，较稳定的长周期脉动模式才更容易建立。与此同时，脉动和辐射压又共同推动质量损失，使AGB星逐渐把外层物质送回星际空间。S型星正处于这一质量损失链条的活跃环节，它今天抛出的包层物质，未来可能成为新一代恒星或行星系统的原料。
五、从“逐个辨认”到“批量发现”
在很长一段时间里，已知S型星的数量相当有限。传统分类依赖于高分辨率、高信噪比光谱中对ZrO带和Tc线的仔细辨认，这使大样本研究受到明显限制。近十年来，大规模光谱巡天改变了这一局面。LAMOST的中分辨率光谱数据使天文学家得以从数以百万计的低温巨星光谱中系统筛选S型星候选体。例如，一项基于LAMOST DR9的工作一次性发现了606颗S型星，其中539颗为首次发现；后续基于DR10的工作又把这一数字推进到2939颗，使已知S型星样本实现了数量级上的扩充。
数量增加之后，新的问题也随之而来：许多新发现的S型星只有中分辨率光谱，直接探测Tc线并不现实。为此，研究人员开始借助机器学习方法，利用红外测光数据或中分辨率光谱的特定谱线区域来区分内禀与外赋S型星，分类准确率可以达到90%以上。这意味着S型星研究正在从“证认个别天体”转向“统计理解群体”：内禀与外赋各占多大比例，它们在银河系中的空间分布是否有系统差异，双星比例与s过程元素增丰之间是否存在可量化的关联，都将成为可以系统回答的问题。
六、一个需要留意的同名概念
在中文天文语境中，“S型星”有时会与银河系中心的“S星”（S-stars）混淆。后者指的是围绕人马座A*运动的年轻B型主序星，它们的“S”来自观测星表中的编号或分类传统，与光谱型S没有直接关系。银河系中心的S星是研究超大质量黑洞引力场和广义相对论的珍贵示踪天体，而本文讨论的S型星则是AGB阶段的晚期巨星。两者在物理性质、演化阶段和科学应用上完全不同，阅读文献时留意上下文即可区分。
七、为什么S型星值得持续关注
S型星的价值，恰恰在于它的“中间性”。碳星和M型星分别代表AGB演化中两个化学端元，而S型星记录了化学组成从氧主导转向碳主导的那个窗口。在这个窗口里，第三次挖掘的效率、s过程的中子源与反应路径、双星物质转移的历史、以及星风质量损失的速率，都在同一类天体的光谱和包层中留下了可观测的痕迹。它既不是最常见的恒星，也不是最明亮的恒星，但它是理解“普通小质量恒星如何制造并散播重元素”这一链条上难以绕开的一环。随着光谱巡天继续积累数据和机器学习分类方法走向成熟，S型星正在从一个光谱分类中的注脚，变成恒星演化研究中可以被定量检验的群体样本。
关于S型星的常见问题
问1：S型星和M型星最直观的区别是什么？
最直观的区别在光谱的分子带：M型星以TiO带为主，S型星则以ZrO带为突出特征，同时TiO带相对减弱。从化学组成看，M型星的C/O小于1，S型星的C/O通常在0.5到1之间。
问2：S型星是恒星演化的终点吗？
不是。S型星是小质量恒星从M型星向碳星过渡的中间阶段，处于热脉冲AGB时期。随着第三次挖掘继续把碳带到表面，C/O进一步升高，它最终可能进入碳星阶段，之后外层被抛射、露出核心，走向白矮星。
问3：为什么锝（Tc）对S型星研究如此重要？
锝没有稳定同位素。如果一颗S型星光谱中出现Tc线，说明这颗星在不久前刚刚合成过锝，因而是正在通过s过程制造重元素的“内禀”AGB星。没有Tc线的S型星则更可能是从伴星那里继承了s过程物质的外赋星。
问4：外赋S型星的伴星是什么？
通常是一颗白矮星。这颗白矮星的前身曾经是AGB星，在它还是巨星时把富含s过程元素的物质转移给了当前这颗S型星；白矮星本身已经停止核反应，光度很低，不易直接看见，但其化学污染留下了可辨认的光谱证据。
问5：S型星是变星吗？
许多S型星是长周期变星，脉动周期大致在50到1000天之间，光变幅度可以超过一个星等，周期行为有时并不规则或呈现交替特征。
问6：银河系中心的“S星”和本文的S型星是一回事吗？
不是。银河系中心的S星是围绕人马座A*运动的年轻B型主序星，其“S”来自观测命名传统，与光谱型S无关；本文讨论的S型星是AGB阶段的晚期巨星，两者在物理性质上完全不同。
问7：LAMOST等巡天项目怎样帮助发现S型星？
LAMOST的中分辨率光谱数据使天文学家可以从海量低温巨星光谱中系统筛选具有ZrO带特征的候选体。例如基于DR9的工作一次性发现了606颗S型星，基于DR10的工作进一步把样本扩大到2939颗，使统计研究成为可能。
问8：S型星的研究最终要回答什么更大的问题？
它要回答的是：低质量恒星在AGB阶段如何通过第三次挖掘和s过程改变表面化学组成，如何通过星风把重元素送回星际介质，以及双星相互作用在这一过程中扮演了多大角色。S型星是这个链条上一个可以被直接观测的“中间节点”。