Diagramma di Hertzsprung-Russell

La maggior parte delle stelle nel diagramma H-R si distribuisce lungo una banda diagonale conosciuta come "sequenza principale". Questa sequenza collega la zona di basse temperature e luminosità (rosse) con quella di alte temperature e luminosità (blu). Il diagramma si basa su due coordinate: temperatura (asse orizzontale) e luminosità (asse verticale). In alto sul diagramma si trovano le stelle più luminose, mentre le stelle più calde sono posizionate a sinistra.

Nel diagramma H-R sono rappresentate diverse caratteristiche delle stelle:

• La magnitudine delle stelle cresce dal basso verso l'alto. Le stelle più in alto nel diagramma, sono quelle più luminose.
• La temperatura delle stelle cresce sinistra verso destra. Le stelle più calde si trovano sul lato sinistro del diagramma. Con la temperatura cambia anche lo spettro della luce, ossia il colore, dal rosso (a destra) al blu-viola (a sinistra).
• la dimensione delle stelle cresce dall'angolo in basso a sinistra (stelle nane) verso l'angolo in alto a destra (stelle giganti/supergiganti) da 0,01 R a 1000 R dove R è il raggio del Sole.
• La massa cresce dall'angolo in basso a destra verso l'angolo in alto a sinistra, da 0,1 masse solari a 60-70 masse solari circa.

Il diagramma è stato creato dall'astronomo danese E. Hertzsprung e dall’astronomo americano N.H. Russell, in modo indipendente l'uno dall'altro, agli inizi del XX secolo. Questo diagramma è noto anche con il nome "diagramma colore-magnitudine". Sull'asse verticale viene misurata la magnitudine assoluta per evitare che la luminosità dipenda dalle distanze, anziché dalle proprietà fisiche della stella. Sull'asse orizzontale, invece, viene misurata la temperatura superficiale che, in base alla legge di Wien, è strettamente correlata al colore della luce. Il diagramma H-R evidenzia una dipendenza tra la luminosità e la temperatura. Se le due grandezze fossero indipendenti, si sarebbero distribuite in modo casuale nel diagramma. La realtà, invece, dimostra che le stelle tendono a disporsi in determinate regioni del diagramma.

Dalla legge di Stefan-Boltzmann si deduce che in tutte le lunghezze d'onda la luminosità (L) di un corpoo nero è proporzionale al quadrato del raggio (R) per la portenza quarta della temperatura (T).

$$ L = 4 \pi \sigma R^2 T^2 $$

Le stelle si comportano all'incirca come un corpo nero. Pertanto, una stella con raggio maggiore (R) o con maggiore temperatura (T) emette una quantità maggiore di luce. Pertanto, nell'angolo in alto a sinistra del diagramma HR tendono a posizionarsi le stelle più grandi, più calde e luminose (es. classe O e classe B) mentre quelle più piccole, meno calde e luminose si posizionano nell'angolo in basso a destra (es. classe K e classe M).

L'evoluzione delle stelle nel tempo

Il diagramma H-R mette in evidenza le varie fasi della vita di una stella nel corso del tempo.

• Sequenza principale
  La maggioranza delle stelle si raccoglie in quella che è nota come 'Sequenza principale'. Questa categoria include una vasta gamma di stelle, spaziando da quelle di bassa temperatura e luminosità a quelle di elevata temperatura e luminosità. Una caratteristica peculiare delle stelle di questa sequenza è l'esistenza di una stretta correlazione tra la loro temperatura e luminosità: all'aumentare di una, si registra un incremento anche dell'altra. Tali stelle sono generalmente stabili e si trovano in una fase intermedia della loro esistenza. Il nostro Sole è un esempio emblematico di stella appartenente alla Sequenza Principale, rientrando nella categoria delle stelle gialle con temperatura e luminosità di grado intermedio.
• Giganti rosse
  Le stelle giganti rosse e le supergiganti si trovano al di fuori della sequenza principale, posizionandosi nella porzione superiore destra del diagramma. Hanno basse temperature, inferiori alla media, e una luminosità medio-alta. Il loro posto nel diagramma suggerisce che queste stelle sono di dimensioni enormi, dato che, in base alla legge di Stefan-Boltzmann, l'energia irradiata è proporzionalmente correlata alla quarta potenza della temperatura. Pertanto, la loro elevata luminosità si può spiegare solo tramite un'enorme estensione.
• Nane bianche
  Queste stelle si trovano nella parte inferiore sinistra del diagramma. Sono stelle calde ma poco luminose, indicando che sono piccole in dimensioni, con raggi simili a quello della Terra.

La posizione di una stella nel diagramma di Hertzsprung-Russell indica la fase della sua evoluzione. Dal diagramma, gli astronomi possono tracciare l'intera storia di vita di una stella, dalla sua nascita fino alla sua eventuale fine.