ヘルツシュプルング・ラッセル図

ESAのガイア衛星は、400万個を超える恒星を、色と明るさを示す1枚の図に配置しました。

恒星を整理する図

1900年代初め、デンマークのアイナー・ヘルツシュプルングと、アメリカのヘンリー・ノリス・ラッセルは、それぞれ独立に、恒星を明るさと色、またはスペクトル型で図に配置しました。星が無秩序なら、点は図のあちこちに散らばるはずです。しかし、そうはなりませんでした。大半は斜めの帯に並び、その上には低温なのに明るい星の集団がありました。後には、下に高温で暗い星の集団も見つかりました。この図は現在、ヘルツシュプルング・ラッセル図、またはHR図と呼ばれ、天文学で最もよく使われる道具の1つになっています。

この図には、戸惑いやすい慣習が2つあります。温度の向きは通常と逆で、左ほど高温です。昔のスペクトルの並びO B A F G K Mを左から右へ書いていたためです。また、両軸は対数目盛りです。光度の軸を1目盛り上がるごとに光の量が10倍になり、太陽の1万分の1から100万倍までを示します。この目盛りでなければ、太陽や暗い星は図の底に細く押し込まれ、見えなくなってしまいます。

恒星の集団

• 主系列：左上の高温で明るい星から、右下の低温で暗い赤色矮星へと続く斜めの帯です。中心で水素の核融合が起きています。NASAによると恒星の約90%は主系列星で、太陽もその1つです。
• 巨星：アルクトゥルスやアルデバランのように、主系列の上にある、低温でも明るい星です。ESAは赤色巨星分枝を、年を経た星が膨らむにつれて主系列を離れ、右へ曲がる枝と説明しています。
• 超巨星：リゲルやベテルギウスのように図の上部にある星で、太陽の数万倍以上の光を放ちます。
• 白色矮星：シリウスBのように、左下にある高温でも暗い星です。太陽のような恒星が残した中心部です。

白色矮星は高温なのに、なぜ暗いのでしょうか？ 色の単元の式、光度 = 半径² × (温度 ÷ 5,772)⁴を使います。シリウスBは約25,200 Kなので、温度だけを考えれば、1平方メートルあたりで太陽表面の360倍の光を放ちます。しかし半径は太陽の0.0086倍しかなく、0.0086²は約0.000074です。掛け合わせると、星全体の光度は太陽の約0.027倍になります。ベテルギウスでは逆です。太陽より低温なので単位面積あたりの放射は小さくても、表面積が約524,000倍あるため、太陽の数万倍もの光を放ちます。

モデルの破線は、この関係を示しています。同じ線の上では、星の半径がすべて等しくなっています。左下の太陽半径の0.01倍から、右上の1000倍まであります。白色矮星は0.01の線の近くにあり、主系列は約0.1から約10を横切り、超巨星は1000に近づきます。つまり星の位置から、温度、光度、大きさの3つが同時にわかります。

進化の道筋ではなく、ある瞬間の姿

主系列を見ると、すべての星がこの帯に沿って進むように思えるかもしれません。NASAの教育資料は、実際には、質量の異なる多くの星のある瞬間の姿を並べたものだと指摘しています。主系列上の位置は質量で決まり、重い星は左上、軽い星は右下にあります。一生の大半は、その付近にとどまります。中心の水素が尽きて初めて主系列を離れ、右上へ動いて巨星になります。モデルで「太陽の今後の経路」をオンにすると、巨星分枝を上り、後に白色矮星へと下る、予想される大まかな経路が見られます。この線は概略図で、計算結果ではありません。