氦核进一步收缩的结果，温度和压力都进一步的升高。当中心温度超过1亿℃，密度超过10万克／立方厘米时，氦就开始燃烧，进行氦聚变为碳的热核反应，同时释放出大量的能量，使向外的压力增大。这时向外的压力可与氦核向内的压力相平衡，恒星又较稳定了。这就是红巨星阶段，
质量较大的主序星则变成红超巨星。这时，恒星便进入它的垂暮之年，我们的太阳一到了红巨星阶段，它的体积将会大到把地球轨道都能吞进去！
④衰亡阶段
红巨星和红超巨星虽然已经是恒星的风烛残年，但也并没有停止活动。红巨星阶段中心处氦的燃烧十分猛烈，当氦燃烧完后，由它聚变成的碳在一定的条件下又开始燃烧，产生聚变反应。这样，由较轻元素取变为比之更重的元素的热核反应，—个接着—个地进行下去。
当恒星内部的氢燃料和氦燃料全部消耗殆尽时，恒星将因强大的引力而再次逐渐收缩，直到核心部分的压力能与引力相抗衡为止：这种过程虽很缓慢，但它仍能使恒星外壳加速膨胀。这样演变的结果就产生“晚年恒星爆发”。经过爆发，抛射出大量星际物质的同时，分离出来的外壳成为气体星云，残存的内核可能就变成一颗密度大、体积小、光度小的白矮星。
有的恒星在耗尽氢和氦之后，中心温度已高达几十亿度，在这样的高温下，某些物理过程会进行得更剧烈而引起恒星的突变，这可能就是某些新星或超新星爆发的原因。有些天文学家认为，突变性爆发后残存下来的恒星内核，如果质量小于太阳，就变成白矮星；如果残骸的质量在太阳质量的2倍左右，那么这个残骸就将猛烈收缩成密度大得惊人的中子星。
中子星又叫脉冲星，20世纪30年代就有人从理论上预言了它的存在。到1967年，通过射电望远镜果然发现了它。这是一种体积非常小（半径约几十千米），密度大得惊人（每立方厘米约有一亿吨重）的奇特天体。中子星还具有自转极快、磁场极强等许多地面上难以想象的极端的物理性质，目前已成为天体物理家们研究的中心之一。
如果恒星衰亡后的残骸质量大于太阳质量的2倍，那么它的密度将会比中子星更大，使引力变得极强，强到能把光线都拉住，变成一种名叫“黑洞”的天体。黑洞的体积之小、密度之大，说来令人瞠目。打个比方，如果地球能变成黑洞，那就得把地球压缩成一个小皮球。你能想象一个和地球一样重的小皮球吗？它的密度大到每立方厘米有几百亿吨重！这时它内部的任何物质，包括光，都逃-出强大的引力，统统被锁在这个漆黑的墓穴之中。既然黑洞不发任何光，又怎么“看得见”它呢？天文学家推测黑洞对于周围物质也是有巨大引力的，当周围带电物质被黑洞拉进去时，会发出强大的x射线。因此，在天空中的强大的x射线源附近，就可能存在着黑洞。
