赫-罗图

赫-罗图

HR-diagram

1911年丹麦天文学家赫茨普龙和美国天文学家罗素各自独立绘出亮星的光度—温度图，发现大多数恒星分布在图中左上方至右下方的一条狭长带内，从高温到低温的恒星形成一个明显的序列，称为“主星序”。为了纪念两位科学家作出的贡献，人们称这种图为赫-罗图(HR-diagram)。赫-罗图是天文学家最有用的关系图之一，成为恒星天文学最重要的基础。

银河系中有千亿颗恒星，它们的特性千差万别。恒星的光度是表现它们特性的一个重要物理量。赫-罗图的纵坐标是恒星的光度。光度是恒星每秒钟辐射出的总能量，以尔格/秒为单位。天文学家把光度大的恒星叫做巨星，光度比巨星更强的叫超巨星，光度小的称为矮星。

恒星之间的光度差别非常大。恒星的光度即恒星的真实亮度，恒星的视星等反映不了恒星的光度，而绝对星等才能显示出它们的光度。绝对星等就是设想把恒星都放在32.6光年（10秒差距）的地方所得出的亮度。织女星的绝对星等是0.5等，它的光度是太阳的50倍。超巨星“天津四”的绝对星等大约是－7.2等，其光度比太阳强五万多倍。还有在星空中极不起眼的天蝎座，视星等只有3.8等，但它的绝对星等是－9.4等，它的光度几乎是太阳光度的50万倍。最强的恒星的光度甚至是太阳的100万倍。太阳是一颗黄色的矮星，相比之下光度比较弱。但还有比它更弱的矮星。如著名的天狼星伴星是一颗白矮星，它的光度还不到太阳的万分之一。还有绝对星等在20等左右的暗弱恒星，它们的光度大约仅为太阳的40万分之一到50万分之一。

恒星的光度与它的体积有关，光度大的巨星，体积也大，光度小的矮星，体积也小。恒星的大小相差很大。太阳的直径是地球的109倍。巨星是恒星世界中个头最大的，其直径要比太阳大几十到几百倍。超巨星就更大了，红超巨星参宿四的直径是太阳的900倍。一颗叫柱一的双星，其伴星的直径大约是太阳的2000～3000倍。比太阳小的恒星也有很多，其中最突出的属白矮星和中子星了。白矮星的直径只有几千千米，和地球差不多。而中子星的直径则只有20千米。恒星的体积相差极大，而它们的质量却差别不太大。大多数恒星的质量在太阳质量的0.5～5倍之间。质量最大的恒星，其质量能比太阳大几十倍。质量最小的恒星，其质量也有太阳质量的几十分之一。

赫-罗图揭示了恒星演化的重要规律，可以说是天文学的一项伟大发现。从星云形成的原始恒星，到主序星，再发展到不稳定的红巨星、变星，一直到核燃料殆尽后演变为致密星,所经历的这一漫长的演化过程在赫罗图上一目了然。

赫-罗图的横坐标有时用恒星的表面温度表示，有时也用恒星的光谱型表示，因为光谱型和表面温度之间存在着对应的关系。恒星是一团炽热的气体，是一团被自身引力束缚的气体，它们的中心区域密度和温度都特别高，足以产生热核反应。恒星表面的高温使之发射类似黑体辐射一样的光谱。在很宽的频率范围内都有辐射，因此称为连续谱。光谱曲线的峰值和形状由物体的温度决定。不同频率的光，其颜色不同。恒星的颜色多种多样，从恒星的颜色就可以判断出它们的温度。温度用绝对温度K表示，绝对温度与摄氏温度的换算关系是0°C＝273K。表面温度在绝对温度30000K以上的恒星发蓝光，温度在10000～30000K的恒星颜色蓝白，温度在7500～10000K的恒星颜色纯白，6000～7500K的恒星呈黄白色，温度在5000～6000K时，恒星的颜色发黄，温度在3500～5000K时恒星的颜色为红橙，温度在2000～3500K的恒星颜色发红。

恒星的光谱除了连续谱以外，还有两种线状谱，分别是发射线和吸收线。它们是叠加在连续谱上的亮线和暗线。炽热到一定程度的稀薄气体原子会发射特定频率的光子，形成发射线；而较冷的稀薄气体的原子则可能吸收通过它的连续光谱中的特定频率的光子而形成暗的吸收线。不同的物质会有不同的吸收线或发射线。测量这些谱线，可以得到恒星的化学成分的信息。从地球实验室的光谱实验中得知，氢、氧、碳等轻元素的光谱线主要在紫外，肉眼看不见，只有几条谱线在可见光区。较重的元素的谱线大部分在可见光区。恒星的外层，如太阳的光球，其温度远比内层低，因此其中的物质就会对内部来的连续谱辐射进行选择吸收，而形成许多暗黑的吸收线。在恒星表面大气中的某些元素的原子产生发射线要求温度相当高，一般不容易达到，因此有发射线的恒星比较少。有吸收线的恒星则很普遍，只不过有的多些有的少些。也有一些恒星光谱呈现有分子带谱线。

天文学家根据恒星的吸收线光谱特征来进行分类。最著名的分类法由哈佛大学天文台的天文学家提出的，称为哈佛分类法。他们根据240000颗恒星的吸收光谱资料，把它们分为七大类：O型、B型、A型、F型、G型、K型和M型，在G型和K型中，又有三个子型，即R型、N型和S型。

O型为蓝星；B型为蓝白星；A型为白星；F型为黄白星；G型为黄星；K型为橙红星；M型为红星。这种光谱型分类的顺序恰好是恒星表面温度从高到低的序列。对应的表面温度为O型为40000－25000K；B型为25000－12000K；A型为11500－7700K；F型为7600－6100K；G型为6000－5000K；K型为4900－3700K；M型为3600－2600K。天文学家曾认为，这 一序列代表了恒星的从高温到低温的演化，把O型和B型称之为早型星，把K型和M型称为晚型星。后来知道，这个看法并不正确。

从赫-罗图上可以看出，恒星主要集中在四个区域。第一个区域为主星序区：银河系中90％以上的恒星都分布在从左上到右下的这一条带子上。这个带上的恒星，有效温度愈高的，光度就愈大。这些星被称为主序星，又称矮星。我们熟悉的太阳、牛郎、织女等都是主序星。第二个区域在主星序右上方：这些恒星的温度和某些主序星的一样，但光度却高得多，因此称之为巨星或超巨星。像北极星（小熊座α）、大角（牧夫座α）属于巨星，心宿二（天蝎座α）则为著名的超巨星。第三个区域在主星序左下方：是一些温度高而光度低白矮星，以及其它低光度恒星，如宁静新星和行星状星云的核（已经公认为白矮星）。天狼B（即天狼星的伴星）就是最亮的白矮星。第四个区域位于赫罗图上一个很右的位置：温度非常冰冷的星际云在最右边，当星际云收缩，它会变得越来越热，在赫-罗图上的位置亦会向左移动。由星际云形成的原恒星也在赫-罗图的右边。赫-罗图是由恒星的光学观测数据构成的，因此中子星和黑洞不能在赫罗图上显现。在赫茨普龙和罗素最初给出的赫-罗图中，没有第三和第四个区域，因为那时还没有发现白矮星，也没有讨论恒星的形成。

赫-罗图在恒星演化的研究当中十分重要。由于恒星内部能源的不断消耗，恒星要发生演变，光度和温度都要发生变化，这导致在赫-罗图上的位置发生变化。天文学家根据赫-罗图描绘了恒星从诞生、成长到衰亡的演化路径，并从理论上给出恒星从诞生到主序星、红巨星、变星、新星（超新星）、致密星（白矮星或中子星或黑洞）的演化机制和模型。这是人类认识恒星世界奥秘的一个重大突破。