Dá se hvězda strčit do šuplíku? Hertzsprung-Russellův diagram

Dají se hvězdy, které vidíme na obloze, třídit? Skrývá v sobě jejich barva a velikost nějakou logiku?  Proslulý diagram prozradí o hvězdě víc, než by se mohlo na první pohled zdát. (délka blogu 6 min.)

Hvězdy - to jsou při pohledu ze Země malé zářivé tečky na obloze. Většina z nich má bílou barvu. Už i pouhým okem ale uvidíte rozdíly mezi jednotlivými hvězdami. Malá část má modravé zabarvení, zatímco několik jejich sester má spíše červený barevný odstín. Souvisí barva hvězd s jejich ostatními vlastnostmi – ptali se astronomové už před sto lety.

Porovnáním vlastností vznikl slavný diagram, do kterého se dají zařadit všechny známé hvězdy. Sestavil ho v roce 1913 Henry Norris Russell, který použil dřívější práce Ejnara Hertzsprunga. Nejdůležitější graf v dějinách astronomie tak získal poněkud krkolomný název – Hertzsprung-Russellův diagram.

Vznik diagramu

Lidé rádi porovnávají a katalogizují. V případě hvězd to ale nebylo vůbec jednoduché. Jak porovnat objekty, které mají různou velikost, jsou různě daleko a mají odlišné fyzikální vlastnosti?

Odlišná zdánlivá jasnost jednotlivých hvězd na obloze je dána především jejich vzdáleností. Ze vzdálených hvězd k nám logicky dopadá méně světla, protože se jejich zářivý výkon „rozestírá“ na větší plochu.

Větší plochou se zářivý výkon hvězdy naředí, takže se nám zdá být slabší, než ve skutečnosti je. Tento jev je dobře známý a dá se naštěstí různými způsoby korigovat, takže se dá zjistit skutečná jasnost hvězdy, nezfalšovaná její pozicí ohledně Země.

„Souvisí absolutní (skutečná) jasnost hvězd s jejich barvou a tedy i teplotou?“ ptali se vědci, jakmile se jim podařilo určit absolutní jasnost hvězd. Zpočátku si totiž nebyli jistí, jestli mají tyto vlastnosti nějakou souvislost. Právě při porovnávání vlastností hvězd pak vznikl slavný Hertzsprung-Russellův diagram.

Nejdůležitější astronomický diagram

Na vodorovné ose diagramu je nanesena teplota hvězdy a tím i její barva. Na rozdíl od dnes zažitých pravidel vykazuje nejmenší teploty vpravo a nejvyšší vlevo. Hvězdy s nejteplejším povrchem tedy najdeme v levé části a hvězdy s relativně chladným, načervenalým povrchem vpravo. Místo teploty se někdy na vodorovné ose nanáší tzv. spektrální třída hvězdy, která je od teploty odvozena. Můžete tu tedy nalézt písmena O, B, A – označující horké hvězdy, F a G – u hvězd středních a písmena K, M, L, T – pro hvězdy relativně chladné.

Na svislé ose jsou pak naneseny absolutní jasnosti hvězd. Tady už je pořadí obvyklé – nejméně jasné hvězdy jsou v dolní části a nejjasnější v horní části diagramu. Stupnice je logaritmická, každý další díl stupnice tedy označuje desetinásobné navýšení jasnosti hvězdy.

Poté, co vědci sestavili koordináty, začali do diagramu nanášet pozice známých hvězd, u kterých se předtím podařilo určit skutečnou jasnost. K jejich údivu se ukázalo, že hvězdy nejsou na ploše diagramu rozmístěny volně a chaoticky. Naopak, většina hvězd formovala zajímavý obrazec, který vidíte na horním obrázku.

Naprostá většina hvězd se nachází na „pásu“, který se vine napříč diagramem. Dostal název „hlavní posloupnost“. V této hlavní skupině se nachází tzv. normální hvězdy, tedy hvězdy, které právě prožívají poklidnou část svého života. Mají zatím ještě dost paliva. V jejich nitru se spaluje vodík na helium a vzniklé záření zvládne vyrovnávat gravitační sílu, která by jinak donutila hvězdu ke kolapsu.

Jasnost takovýchto hvězd je závislá na jejich hmotnosti a tím i povrchové teplotě. Čím hmotnější je hvězda v hlavní posloupnosti, tím je její povrchová teplota vyšší. V logaritmickém měřítku diagramu se tyto hvězdy nacházejí na rovném pásu, probíhajícím napříč diagramem.

Pokud by se hvězdy od svého zrodu až po hvězdnou smrt nacházely jen v poklidné fázi, byl by náš diagram hlavní posloupností ukončen. Hvězdy ale připravují na konci svého života nejedno překvapení. Odráží se to i v Hertzsprung-Russellově diagramu.

Hvězdná překvapení

V horní části obrázku vidíte oblast, ve které se nacházejí tzv. hvězdní obři a veleobři. Jsou to enormně jasné hvězdy s velkým poloměrem a různou povrchovou teplotou. Jejich množství napovídá, že je tento stav hvězd logickou součástí hvězdného vývoje. Podle zákona pravděpodobnosti je totiž extrémní vlastnost extrémně vzácná. Pokud vidíme ve stadiu obra a veleobra značné množství hvězd, musí se tedy jednat o jev, který je systematický. Jedná se o hvězdy, které už prožily hlavní a poklidnou část svého života – a teď se blíží své hvězdné smrti.

Poté, co vyčerpaly své původní palivo, kterým byl vodík, ztrácí jedinou obranu proti své vlastní gravitaci. Termonukleární fúze v centru hvězdy slábne a tím slábne také intenzita záření, které drželo hvězdu v rovnováze. Hvězda se začíná hroutit. Tím se její nitro zahřívá, takže může dojít k zapálení dalšího stupně termonukleární reakce, při které se tentokrát nespaluje vodík ale helium. Tlak záření přitom hvězdu nafoukne do většího objemu. Tím se sníží její povrchová teplota a barva povrchu se přesune směrem k červenému konci barevného spektra.

Pokud je hvězda dostatečně hmotná, může se celý proces opakovat až do doby, kdy v jádře vznikne železo. Těžší prvky se už jadernou fúzí syntetizovat nemohou, protože pro svůj vznik energii spotřebovávají, místo aby se při syntéze uvolňovala.

Hmotné hvězdy pak končí svůj život výbuchem supernovy, při kterém nitro hvězda kolabuje a odhazuje do okolí hmotu, která tvořila její obálku. Menší hvězdy, mezi které patří i naše Slunce, mají před sebou klidnější osud. Stanou se na čas rudými obry, velkými a jasnými hvězdami, nejsou ale ve svém nitru přehnaně horké. Termonukleární fúze pomalu vypotřebuje zbylé palivo, hvězdy začnou chladnout. Vnější a nafouklá obálka hvězdy nakonec vymizí. Zůstane jen velice horké, ale malé jádro, které má malou jasnost a dostane název „bílý trpaslík“.

Bílí trpaslíci se na HR diagramu nacházejí vlevo dole. Postupně chladnou a jejich už i tak malá jasnost dále slábne. Na dalším obrázku je tento vývoj znázorněn na příkladu hvězd, pozorovaných v galaxii NGC 6791.

Na HR-diagramu bývá někdy znázorněn i vývoj jednotlivých typů hvězd.

Původní touha roztřídit hvězdy podle jejich vlastností tak kdysi přivedla astronomy ke grafu, který se měl stát jedním z nejdůležitějších diagramů astronomie. Vysvětluje nejen vlastnosti, ale také proměnu hvězd v průběhu jejich života.

I když se to tak možná na první pohled nezdá – všechno ve vesmíru se neustále mění. To je fakt, který je společný jak našim, tak hvězdným životům, připomíná mi pokaždé pohled na HR-diagram.