Jednym z najbardziej cenionych przez astronomów momentów jest zmierzch. Gdy Słońce zachodzi, niebo ciemnieje i widać pierwsze gwiazdy. Na początku są to dwie lub trzy, ale z upływem minut stają się one coraz lepiej widoczne; pierwsze pojawią się najjaśniejsze gwiazdy nocy, ostatnie – najsłabsze. Ale ich jasność nie jest jedyną rzeczą, która rozróżnia gwiazdy. W miarę upływu nocy i ciemnienia nieba, jeśli dobrze się przyjrzymy, zobaczymy gwiazdy czerwone, białe i niebieskie… Gwiazdy mają kolory, a nauka o nich zabiera nas w fascynującą podróż przez ich życie.
W tych wczesnowiosennych tygodniach łatwo jest zlokalizować gwiazdozbiór Oriona, wraz z Canis Major i Taurusem, krótko po zachodzie Słońca. Na pierwszy rzut oka gwiazdy mogą wydawać się mieć ten sam kolor, ale jeśli poszukamy ciemnego nieba i przyjrzymy się im z bliska, dostrzeżemy różne kolory. Syriusz (w Canis Major) jest biały, Rigel (prawa stopa Oriona) jest niebieski, Aldebaran (w Taurusie) jest pomarańczowy, a Betelgeuse (lewe ramię Oriona) jest czerwona.
W domu astrofizyka krany są odwrócone
Fakt, że gwiazdy mają różne kolory, nie jest zwykłą ciekawostką. Kolor dostarcza podstawowych danych w astrofizyce gwiezdnej – temperatury powierzchni gwiazdy. Najgorętsze gwiazdy są niebieskie, a najzimniejsze czerwone, co jest sprzeczne z użyciem kolorów w sztuce i w naszym codziennym doświadczeniu. Dlatego często mówi się, że w domu astrofizyka krany są odwrócone: niebieski oznacza gorąco, a czerwony zimno.
Klasyfikacja gwiazd Morgana-Keenana oparta jest na kolorach gwiazd, od najbardziej niebieskich (najbardziej energetycznych) do czerwonych (najsłabszych), poprzez typy O B A F G K M. Jako regułę mnemotechniczną często stosuje się wyrażenie Oh Be a Fine Girl(Guy), Kiss Me, aby nam o nich przypomnieć – klasyczny żart na wydziałach na całym świecie, gdzie wykładana jest astrofizyka.
Klasyfikacja gwiazd wskazuje również zazwyczaj absolutną jasność gwiazd. Ważne jest, aby zakwalifikować to zazwyczaj, ponieważ później zobaczymy kilka wyjątków. Niebieskie gwiazdy są zwykle najjaśniejsze, a czerwone najciemniejsze. Jednak bardziej doświadczeni obserwatorzy spotykają w nocy czerwone gwiazdy, które są jaśniejsze niż białe czy niebieskie. Jak to możliwe? Należy pamiętać, że podczas obserwacji z Ziemi gwiazdy znajdują się w różnych odległościach. Dlatego czerwona gwiazda, która świeci słabo, ale jest bardzo blisko, będzie wydawała się świecić jaśniej niż niebieska gwiazda, która jest znacznie dalej.
Oprócz temperatury i jasności, kolor zazwyczaj wskazuje również – z tym samym zastrzeżeniem – na wielkość gwiazdy: najgorętsze i najbardziej energetyczne niebieskie gwiazdy są zazwyczaj większe, a czerwone mniejsze.
Schemat gwiazdowy
Wiedząc, że na podstawie koloru gwiazdy można oszacować jej temperaturę powierzchniową i zazwyczaj znać jej jasność i rozmiar, astronomowie Ejnar Hertzsprung i Henry Norris Russell umieścili te cechy na wykresie znanym dziś jako diagram Hertzsprunga-Russella, który obaj opracowali niezależnie około 1910 roku.
Na diagramie H-R, oś pionowa porządkuje typy gwiazd od najsłabszych do najjaśniejszych, podczas gdy oś pozioma porządkuje je od najgorętszych do najchłodniejszych, biorąc pod uwagę ich temperaturę, kolor i klasyfikację gwiazdową. Wynikiem jest ukośne zgrupowanie, które porządkuje gwiazdy według tych cech: ta część diagramu nazywana jest ciągiem głównym.
Większość gwiazd znajduje się w ciągu głównym. Świecą one dzięki reakcjom syntezy jądrowej w ich jądrze, które przekształcają wodór w hel. Gwiazdy te znajdują się na etapie, w którym są dojrzałe i spędzają większość swojego aktywnego życia. Mówiąc po ludzku, sekwencja główna to etap od nastolatków do osiągnięcia wieku emerytalnego. Nasze Słońce wydaje się być blisko środka tego okresu życia gwiazd: jest średnią gwiazdą żółtą typu G.
Układ okresowy gwiazd
Gwiazdy mogą świecić przez miliardy lat, ale nic nie trwa wiecznie. Paliwo, którego używają do reakcji jądrowych, jest ograniczone i w końcu się wyczerpuje. Kiedy nie ma już wodoru do spalania, fuzja helu przejmuje kontrolę, ale w przeciwieństwie do poprzedniego etapu, ten jest znacznie bardziej energiczny. Powoduje to, że gwiazdy u schyłku swojego życia puchną do rozmiarów tysiące razy większych niż ich pierwotne rozmiary, stając się olbrzymami. Ekspansja powoduje również, że tracą one ciepło na swojej powierzchni, ponieważ muszą rozprowadzić więcej energii na większym obszarze i dlatego stają się czerwone. Te czerwone olbrzymy są wyjątkiem i znajdują się w prawej górnej części diagramu, znanej jako strefa czerwonych olbrzymów.
Czerwone olbrzymy nie trwają długo (w skali gwiazdowej) i szybko wyczerpują niewielką ilość paliwa, które im pozostało. Kiedy to się dzieje, gwiazda wyczerpuje reakcje jądrowe zachodzące w jej wnętrzu, które podtrzymywały ją w istnieniu; grawitacja ściąga wtedy całą jej powierzchnię i kurczy gwiazdę do rozmiarów karła. Z powodu tej brutalnej kompresji energia jest skoncentrowana, a powierzchnia gwiazdy zwiększa swoją temperaturę, co radykalnie zmienia jej jasność na białą. Trup gwiazdy nazywany jest białym karłem. Te gwiezdne trupy są kolejnym wyjątkiem od ciągu głównego i znajdują się w lewej dolnej części diagramu.
Bez wątpienia jednym z największych osiągnięć nauki jest układ okresowy pierwiastków. Można powiedzieć, że diagram Hertzsprunga-Russella jest układem okresowym gwiazd. W swojej kompletnej postaci może on przypominać nieco dziwną i zdeformowaną tęczę, jednak gdy wiemy, jak go odczytać, możemy zobaczyć, jak różne kolory gwiazd odnoszą się do ich temperatury, wielkości, jasności i fazy życia gwiazdowego, rozłożone w uporządkowany i elegancki sposób. To wspaniała mapa skarbów dla fanów astronomii: klucz do przeskoczenia w inny wymiar, zarówno w wiedzy o kosmosie, jak i w umiejętności cieszenia się pięknem firmamentu.