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主序星，外文名：main sequence star，是指在赫罗图主序带的恒星。在天文学上，主序星是在可显示恒星演化过程的赫罗图上，分布从由左上角至右下角也被称为主序带上的恒星。
主序星是处于壮年期的恒星。现在的太阳就在主序星阶段，年龄已有50亿岁了。
从幼年期开始，恒星就在引力的作用下不断收缩。当中心温度达到700万摄氏度时，恒星内部最丰富的元素——氢聚变成氦的热核反应开始了。热核反应造成的滚滚热浪产生了巨大的向外的压力，与向内的恒星引力相抗衡，促使星球停止收缩。星球内部的熊熊烈火烧透球壳，整个星球便成为一个大火球。这时的恒星可以长期处于稳定状态，称为主序星。
当恒星演化为主序星时，它的亮度大小将由恒星的质量所决定。例如质量为太阳20倍左右的恒星，在这个稳定的主序星阶段，将成为亮度和温度很高的蓝巨星或蓝白巨星；质量为太阳几倍的恒星，将成为白星或黄白星；质量与太阳差不多的恒星便成为亮度和表面温度与太阳相仿的黄矮星；而质量小于太阳的恒星则成为亮度很小、表面温度很低的红矮星。
主序星内部储存着充足的燃料氢，能维持长时间的燃烧。恒星一生的大部分时间都停留在主序星阶段，我们看到的大多数恒星都是主序星。质量大的恒星因燃烧剧烈，燃料消耗快，它在主序星阶段的时间就较短，但最短也有几百万年。质量较小的恒星，热核反应速度较慢，氢的消耗也较慢，因而它稳定在丰序星阶段时间就较长，最长的可达10万亿年。太阳处于这个稳定阶段，它已经稳定地“燃烧”了足足50亿年了。据估计，太阳在主序星阶段的时间可长达100亿年。
主序星在可显示恒星演化过程的赫罗图上，是分布在由左上角至右下角，被称为主序带上的恒星。
主序带是以颜色相对于光度绘图成线的一条连续和独特的恒星带。这个色-光图就是后来埃希纳·赫茨普龙和亨利·诺利斯·罗素合作发展出来，著名的赫罗图。在这条带子上的恒星就是所谓的主序星。
恒星形成之后，它在高热、高密度的核心进行核聚变反应，将氢原子转变成氦，并且创造出能量。在这个生命期阶段的恒星，座落在在主序带上的位置主要是依据它的质量，但化学成分和其它的因素也有一些关系。所有的主序星都处于流体静力平衡状态，它来自炙热核心向外膨胀的热压力与来自外围包层向内挤压的重力压维持着平衡。在核心温度和压力与能量孳生率有着强烈的相关性，并有助于维持平衡。在核心孳生的能量传递到表面经由光球辐射出去。能量经由辐射或对流传递，而后著在其区域内会产生阶梯状的温度梯度，更高的透明度，或两者均有。
基于恒星产生能量的主要过程，主序带有时会被分成上段和下段。质量大约在1.5太阳质量以内的恒星，将氢聚集融合成氦的一系列主要程序称为质子-质子链反应。超过这个质量在主序带的上段，核聚变主要是使用碳、氮、和氧原子，经由碳氮氧循环的程序，将氢原子转变成氦。质量超过太阳10倍的主序星在核心区域会产生对流，这样的活动绘激发新创建的氦外移，并维持发生核聚变所需要的燃料比例。
当核心的对流不再发生时，发展出的富氦核心的外围会被氢包围着。质量较低的恒星，核心的对流区会逐步的缩小，大约在2太阳质量附近，核心的对流区就会消失。在这个质量以下，恒星的核心只有辐射，但是在接近表面会有对流。随着恒星质量的减少，对流的包层会增加，质量低于0.4太阳质量的主序星，全部的质量都在对流。
通常，质量越大的恒星在主序带上的生命期越短。当在核心的核燃料已被耗尽之后，恒星的发展会离开赫罗图上的主序带。这时恒星的发展取决于它的质量，质量低于0.23太阳质量的恒星直接成为白矮星，而质量未超过10太阳质量的恒星将经历红巨星的阶段；质量更大的恒星可以爆炸成为超新星，或直接塌缩成为黑洞。
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