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Uma estrela de carbono é uma estrela do tipo tardio similar a uma gigante vermelha (ou às vezes a uma anã vermelha) cuja atmosfera contém mais carbono do que oxigênio; estes dois elementos se combinam nas camadas superiores da estrela, formando monóxido de carbono, que consome todo o oxigênio presente na atmosfera, deixando os átomos de carbono livres para formar outros compostos de carbono, resultando em uma atmosfera estelar repleta de fuligem e com uma aparência avermelhada distinta.
Em estrelas normais (como o Sol), a atmosfera é mais rica em oxigênio do que carbono. Estrelas ordinárias não exibem as mesmas características das estrelas de carbono, mas as que são frias demais para formar monóxido de carbono são denominadas estrelas de oxigênio.
As estrelas de carbono apresentam características espectrais bem particulares, tendo sido reconhecidas pelos seus espectros pela primeira vez por Angelo Secchi na década de 1860, numa época de pioneirismo na espectroscopia astronômica.