Een van de door astronomen meest gewaardeerde momenten is de schemering. Als de zon ondergaat, wordt de hemel donkerder en zijn de eerste sterren te zien. In het begin zijn het er twee of drie, maar naarmate de minuten verstrijken worden ze steeds beter zichtbaar; de eerste die verschijnen zijn de helderste sterren van de nacht, de laatste de zwakste. Maar hun helderheid is niet het enige wat de sterren onderscheidt. Naarmate de nacht vordert en de hemel donkerder wordt, zullen we, als we goed kijken, rode, witte en blauwe sterren zien… Sterren hebben kleuren, en als we over ze leren, nemen we ons mee op een fascinerende reis door hun leven.
Tijdens deze vroege lenteweken is het gemakkelijk om het sterrenbeeld Orion, samen met Canis Major en Taurus, kort na zonsondergang te lokaliseren. Op het eerste gezicht lijken de sterren dezelfde kleur te hebben, maar als we een donkere hemel opzoeken en nog eens goed kijken, zullen we verschillende kleuren opmerken. Sirius (in Canis Major) is wit, Rigel (de rechtervoet van Orion) is blauw, Aldebaran (in Taurus) is oranje en Betelgeuse (de linkerschouder van Orion) is rood.
In het huis van de astrofysicus zijn de kranen omgedraaid
Het feit dat sterren verschillende kleuren hebben, is niet louter een curiositeit. De kleur verschaft een fundamenteel gegeven in de stellaire astrofysica – de oppervlaktetemperatuur van de ster. De heetste sterren zijn blauw en de koudste rood, in tegenstelling tot het gebruik van kleuren in de kunst en in onze dagelijkse ervaring. Daarom wordt vaak gezegd dat in het huis van de astrofysicus de kranen zijn omgedraaid: blauw duidt op heet en rood op koud.
De Morgan-Keenan sterrenclassificatie is gebaseerd op de kleuren van sterren, variërend van de blauwste (meest energetische) sterren tot de rode (zwakste), via de typen O B A F G K M. Als geheugensteun wordt vaak de uitdrukking Oh Be a Fine Girl(Guy), Kiss Me gebruikt om ons daaraan te herinneren – een klassieke grap in faculteiten over de hele wereld waar astrofysica wordt onderwezen.
De sterrenclassificatie geeft gewoonlijk ook de absolute helderheid van sterren aan. Het is belangrijk om dit meestal te kwalificeren, want we zullen later een paar uitzonderingen zien. Blauwe sterren zijn meestal de helderste, en rode sterren de zwakste. Maar meer ervaren waarnemers zullen ’s nachts rode sterren tegenkomen die helderder zijn dan witte of blauwe. Hoe is dit mogelijk? Als je vanaf de aarde kijkt, staan de sterren op verschillende afstanden. Zo zal een rode ster die zwak schijnt maar heel dichtbij is, helderder schijnen dan een blauwe ster die veel verder weg staat.
Naast de temperatuur en de helderheid geeft de kleur gewoonlijk – met dezelfde kwalificatie – ook de grootte van een ster aan: de heetste en energiekste blauwe sterren zijn gewoonlijk groter en de rode kleiner.
Een sterrendiagram
De astronomen Ejnar Hertzsprung en Henry Norris Russell, die wisten dat je aan de hand van de kleur van een ster zijn oppervlaktetemperatuur kunt schatten en meestal ook zijn helderheid en grootte kunt bepalen, hebben deze kenmerken in een grafiek gezet die tegenwoordig bekend staat als het Hertzsprung-Russell-diagram, dat zij beiden rond 1910 onafhankelijk van elkaar hebben ontwikkeld.
Op dit H-R-diagram rangschikt de verticale as de soorten sterren van de zwakste naar de helderste, terwijl de horizontale as ze rangschikt van de heetste naar de koelste, waarbij rekening wordt gehouden met hun temperatuur, kleur en stellaire classificatie. Het resultaat is een diagonale groepering die de sterren volgens deze kenmerken rangschikt: dit deel van het diagram wordt de hoofdreeks genoemd.
De meeste sterren bevinden zich in de hoofdreeks. Zij schitteren dankzij de kernfusiereacties in hun kern, waarbij waterstof in helium wordt omgezet. Deze sterren bevinden zich in het stadium waarin ze volwassen zijn en het grootste deel van hun actieve leven doorbrengen. Om in menselijke termen te spreken: de hoofdreeks is het stadium dat loopt van tiener tot het bereiken van de pensioenleeftijd. Onze zon lijkt zich in het midden van die stellaire levensduur te bevinden: het is een gele ster van het middelmatige G-type.
Het periodiek systeem der sterren
Sterren kunnen miljarden jaren schitteren, maar niets duurt eeuwig. De brandstof die ze gebruiken voor kernreacties is beperkt en raakt uiteindelijk op. Als er geen waterstof meer is om te verbranden, neemt heliumfusie het over, maar in tegenstelling tot de vorige fase is deze veel energieker. Hierdoor zwellen sterren aan het eind van hun leven op tot duizenden keren hun oorspronkelijke grootte en worden reuzen. Door de expansie verliezen ze ook warmte aan hun oppervlak, omdat ze meer energie over een groter gebied moeten verdelen, en daarom kleuren ze rood. Deze rode reuzensterren vormen een uitzondering en bevinden zich in het rechterbovengedeelte van het diagram, dat bekend staat als de rode-reuzenzone.
De rode reuzen zijn geen lang leven beschoren (op stellaire schaal) en verbruiken snel het beetje brandstof dat ze nog hebben. Wanneer dit gebeurt, heeft de ster geen kernreacties meer in zijn inwendige die de ster in leven hielden; de zwaartekracht trekt dan aan zijn gehele oppervlak en krimpt de ster tot een dwerg. Door deze brute compressie wordt de energie geconcentreerd en neemt de temperatuur van het oppervlak toe, waardoor de helderheid radicaal verandert in wit. Het lijk van een ster wordt een witte dwerg genoemd. Deze stellaire lijken vormen een andere uitzondering op de hoofdreeks en bevinden zich linksonder in het diagram.
Een van de grootste prestaties van de wetenschap is zonder twijfel het periodiek systeem der elementen. Je zou kunnen zeggen dat het Hertzsprung-Russell-diagram het periodiek systeem van de sterren is. In zijn volledige vorm ziet het er misschien een beetje uit als een vreemde en vervormde regenboog; maar als we eenmaal weten hoe we het moeten lezen, kunnen we zien hoe de verschillende kleuren van de sterren verband houden met hun temperatuur, grootte, helderheid en levensfase van de sterren, op een ordelijke en elegante manier verdeeld. Het is een prachtige schatkaart voor liefhebbers van astronomie: de sleutel tot een sprong in een andere dimensie, zowel in de kennis van de kosmos als in het vermogen om te genieten van de schoonheid van het firmament.