การวิวัฒนาการของดาวฤกษ์เป็นการศึกษาความเป็นมาของดาวฤกษ์ตั้งแต่การก่อกำเนิด การดำรงอยู่ และการสิ้นอายุของดาวฤกษ์ เชื่อว่าดาวฤกษ์เกิดจากการยุบตัวของกลุ่มก๊าซขนาดมหึมาซึ่งองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นก๊าซไฮโดรเจน ภายใต้แรงโน้มถ่วงระหว่างอะตอมหรือโมเลกุลของก๊าซ การยุบตัวทำให้อุณหภูมิของกลุ่มก๊าซสูงขึ้นเรื่อยๆ พลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นสูญเสียออกไปในอากาศได้ การยุบตัวภายใต้แรงโน้มถ่วงของกลุ่มก๊าซในลักษณะนี้เรียกว่าการยุบตัวแบบเคลวิน-เฮล์มโฮลท์ (Keluin-Helmheltz Contraction)

สภาพของกลุ่มก๊าซในขั้นตอนนี้เรียก สภาพก่อนดาวฤกษ์ (Protostar)การยุบตัวดำเนินไปจนกระทั่งบริเวณใจกลางของกลุ่มก๊าซมีอุณหภูมิสูงถึง 10 ล้านองศาเคลวิน ภายใต้อุณหภูมิสูงขนาดนี้ ทำให้เกิดปฏิกิริยาของหลอมนิวเคลียส (Nuclear Fusion) ของไฮโดรเจนขึ้นในลักษระของปฏิกิริยาลูกโซ่ (Chain Reaction)  2 แบบคือ  (ก) ปฏิกิริยาโปรตอน – โปรตอน (Proton-Proton Reaction)  เป็นการหลอมโปรตอน (นิวเคลียสของไฮโดรเจน) ไปเป็นอนุภาคอัลฟา (นิวเคลียสของฮีเลียม) ผ่านปฏิกิริยา 2 ชั้น ซึ่งในปฏิกริยาทั้งสอง มีการสร้างดิวทีเรียม (Deuterium) และฮีเลียม 3 รวมทั้งนิวตริโน และรังสีแกมมาออกมาด้วย

(ข) วัฎจักรคาร์บอน-ไนโตรเจน (Carbon-Nitrogen Cycle) ซึ่งเป็นการ หลอมโปรตอนไปเป็นอนุภาคอัลฟาเช่นกัน แต่วัฏจักรคาร์บอน-ไนโตรเจนจะเกิดที่อุณหภูมิสูงกว่า (ปฏิกริยาโปรตอน-โปรตอนเกิดที่อุณหภูมิต่ำกว่า 1.8 x 107 K ในขณะที่วัฏจักรคาร์บอน-ไนโตรเจน เกิดที่อุณหภูมิสูงกว่า 1.8 x107K

มีคาร์บอนไนโตรเจนและออกซิเจนเป็นตัวเร่งปฏิกริยา ในวัฏจักรคาร์บอน-ไนโตรเจนนี้จะมีรังสีแกมมา และนิวตริโนเกิดขึ้นมาด้วย เมื่อปฏิกริยาหลอมนิวเคลียสเกิดขึ้นที่ใจกลางกลุ่มก๊าซ กลุ่มก๊าซดังกล่าวจะกลายเป็น ดาวฤกษ์  เป็นทรงกลมของก๊าซที่แผ่พลังงานความร้อนและแสงสว่างออกมา ดังที่ปรากฎเห็นระยิบระยับอยู่บนท้องฟ้า

ดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้เรามากที่สุด จึงปรากฎเห็นเป็นทรงกลมของก๊าซขนาดใหญ่แผ่พลังงานความร้อน และแสงสว่างมาถึงโลกได้ การที่ดาวฤกษ์คงสภาพเป็นทรงกลมอยู่ได้ก็เนื่องมาจากการสมดุลระหว่างความโน้มถ่วงของก๊าซที่ประกอบเป็นดาวฤกษ์กับแรงดันจากปฏิกริยาการหลอมนิวเคลียสบริเวณใจกลางของดาว เรียกการสมดุลในลักษณะเช่นนี้ว่า \"การสมดุลทางอุทกสถิตยศาสตร์ (Hydrostatic Equilibrium)\"

สำหรับดวงอาทิตย์ของเรา จะคงสภาพเป็นดาวกฤษ์อยู่ได้ภายใต้ภาวะสมดุลทางอุทกสถิตยศาสตร์ เป็นระยะเวลาประมาณหมื่นล้าน (1010) ปีหลังจากดวงอาทิตย์ถือกำเนิดขึ้นมา ปัจจุบันดวงอาทิตย์ดำเนินสภาพเป็นดาวฤกษ์มาแล้วประมาณเกือบ 5,000 ล้านปี เมื่อเชื้อเพลงบริเวณใจกลางของดาวฤกษ์ (ประมาณ 10 เปอร์เซ็นต์ของมวลดาวฤกษ์ทั้งหมด) ถูกเผาผลาญหมดไปโดยปฏิกริยาการหลอมนิวเคลียส แรงดันบริเวณใจกลางของดาวฤกษ์จะยุติลง ทำให้แกนกลางของดาวฤกษ์ยุบตัวเนื่องจากผลของความโน้มถ่วงการยุบตัวของแกนกลาง จะเป็นผลให้เปลือกนอกของดาวฤกษ์ขยายตัวออก

ดังนั้นสภาพดาวจึงมีแกนกลางที่ยุบตัวมีขนาดเล็กและความหนาแน่นสูง ขณะเดียวกันเปลือกนอกขยายตัวออกไป จนมีขนาดใหญ่มาก เราอาจเรียกดาวฤกษ์ในสภาพเช่นนี้ว่า ดาวยักษ์แดง (Red Giant Stars) ที่เรียกเช่นนี้เนื่องจากดาวปรากฎขยายใหญ่ขึ้นกว่าเดิมมาก และในขณะที่เปลือกดาวขยายตัวอุณหภูมิผิวของดาวจะลดลงทำให้ดาวปรากฎเป็นสีแดง สำหรับแกนกลางของดาวฤกษ์ที่ยุบตัว อาจทำให้อุณหภูมิบริเวณแกนกลางสูงพอที่จะจุดปฏิกริยาการหลอมนิวเคลียสของธาตุที่หนักขึ้นได้ ทำให้ดาวอาจมีการยุบขยายตัวสลับกันไป และสภาพไม่สมดุลดังกล่าวจะทำให้แสงดาวมีการเปลี่ยนแปลงสว่าง-หรี่ สลับกันไป เรียกว่า ดาวแปรแสง (Variable Stars)

ดาวบีเทลจูสในกลุ่มดาวนายพราน ซึ่งเป็น ดาวยักษ์แดง (Red Giant Star)

ขั้นตอนสุดท้ายของการวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ สภาวะสมดุลทางอุทกสถิตยศาสตร์ไม่เกิดขึ้นอีกต่อไป เปลือกของดาวฤกษ์กระจายออกไป ซึ่งสภาพการเปลี่ยนแปลงในช่วงนี้จะเป็นอย่างไร ขึ้นอยู่กับดาวฤกษ์ดังกล่าว เป็น ดาวฤกษ์มวลต่ำ (Law Mass Star) หรือเป็น ดาวฤกษ์มวลสูง (High Mass Star)

ภาพแสดงตำแหน่งของดาวฤกษ์มวลต่ำ และดาวฤกษ์มวลสูง

Hourglass Nebula ซึ่งอยู่ห่างจากโลกประมาณ 8,000 ปีแสง

ภาพถ่ายSpirograph Nebula ซึ่งอยู่ห่างจากโลกประมาณ 2,000 ปีแสง

ดาวฤกษ์มวลต่ำ เปลือกของดาวกฤษ์จะค่อย ๆ กระจายออกไปโดยแกนกลางมีขนาดเล็กและมีความหนาแน่นสูงมากเป็นซากของดาวที่เรียกว่า ดาวแคระขาว (White Dwarfจึงปรากฎเห็นเป็นวงแหวนของก๊าซล้อมรอบแกนกลางขนาดเล็กอยู่ เรียกว่า เนบิวลา ดาวเคราะห์ (Planetary Nebula) เนื่องจากเมื่อมองด้วยกล้องดูดาวขนาดเล็กจะเห็นวัตถุนี้คล้ายกับดาวยูเรนัส และดาวเนปจูน แต่แท้จริงแล้ววัตถุท้องฟ้าดังกล่าวเป็นสภาพดาวฤกษ์มวลต่ำในขั้นตอนสุดท้ายของช่วงชีวิต ดาวอาทิตย์จัดว่าเป็นดาวฤกษ์มวลต่ำ จึงจะวิวัฒนาการไปเป็นเนบิวลาดาวเคราะห์ที่มีซากเป็นดาวแคระขาวในอีกประมาณ 5,000 ล้านปีข้างหน้า

ดาวฤกษ์มวลสูง ในขั้นตอนสุดท้ายของช่วงชีวิต ปฏิกริยาการหลอมนิวเคลียสอาจเกิดได้นอกบริเวณแกนกลางลามออกมาเกือบถึงเปลือกนอก ปฏิกริยาที่รุนแรงนี้ทำให้เปลือกของดาวฤกษ์ระเบิดออกอย่างรุนแรงเรียกการระเบิดของดาวฤกษ์มวลสูงนี้ว่า ซุปเปอร์โนวา (Supernova) เมื่อดาวฤกษ์เกิดการระเบิดจะทำให้ดาวสว่างขึ้นมากจนเห็นได้ชัดบนท้องฟ้า ดังเช่นการระเบิดของซุปเปอร์โนวา 1987A ในเมฆแมกเจลแลนใหญ่ (Large Magellanic Cloud) ที่เกิดขึ้นเมื่อ ค.ศ.1987 เป็นต้น ส่วนแกนกลางที่เป็นชากของดาวมวลมากอาจยุบตัวเป็น ดาวนิวตรอน (Newtron Star) หรือหลุมดำ (Blackhole)

ภาพถ่ายเมฆแมกเจลแลนใหญ่