En av de stunder som astronomer uppskattar mest är skymningen. När solen går ner mörknar himlen och de första stjärnorna syns. Först är det två eller tre, men allteftersom minuterna går blir de mer och mer synliga; de första som dyker upp kommer att vara nattens ljusaste stjärnor, de sista, de dunklaste. Men deras ljusstyrka är inte det enda som skiljer stjärnorna åt. När natten fortskrider och himlen mörknar kommer vi, om vi tittar noga, att se stjärnor i rött, vitt och blått… Stjärnor har färger, och att lära sig om dem tar oss med på en fascinerande resa genom deras liv.
Under dessa tidiga vårveckor är det lätt att lokalisera stjärnbilden Orion, tillsammans med Canis Major och Taurus, strax efter solnedgången. Vid en första anblick kan stjärnorna tyckas ha samma färg, men om vi söker oss till en mörk himmel och tar en andra närmare titt kommer vi att märka olika färger. Sirius (i Canis Major) är vit, Rigel (Orions högra fot) är blå, Aldebaran (i Taurus) är orange och Betelgeuse (Orions vänstra axel) är röd.
I astrofysikerns hem är kranarna omvända
Det faktum att stjärnor har olika färger är inte bara en kuriositet. Färgen ger en grundläggande uppgift inom stjärnornas astrofysik – stjärnans yttemperatur. De varmaste stjärnorna är blå och de kallaste är röda, vilket strider mot användningen av färger i konsten och i vår dagliga erfarenhet. Därför sägs det ofta att i astrofysikerns hem är kranarna omvända: blått indikerar varmt och rött kallt.
Morgan-Keenans stjärnklassificering bygger på stjärnornas färger, från de blåaste (mest energirika) stjärnorna till de röda (svagaste), via typerna O B A F G K M. Som minnesregel används ofta frasen Oh Be a Fine Girl(Guy), Kiss Me för att påminna oss om dem – ett klassiskt skämt på fakulteter runt om i världen där man undervisar i astrofysik.
Stjärnklassificeringen anger också vanligtvis stjärnornas absoluta ljusstyrka. Det är viktigt att kvalificera detta vanligtvis, eftersom vi kommer att se ett par undantag senare. Blå stjärnor tenderar att vara de ljusaste och röda stjärnor de mest dunkla. Men mer erfarna observatörer kommer att stöta på röda stjärnor på natten som är ljusare än vita eller blå stjärnor. Hur är detta möjligt? Man bör komma ihåg att när man observerar från jorden befinner sig stjärnorna på olika avstånd. En röd stjärna som lyser svagt men är mycket nära kommer därför att verka lysa starkare än en blå stjärna som är mycket längre bort.
Förutom temperaturen och ljusstyrkan brukar färgen också – med samma förbehåll – ange stjärnans storlek: de hetaste och mest energirika blå stjärnorna är vanligtvis större och de röda mindre.
Ett stjärndiagram
Med vetskap om att man med hjälp av en stjärnas färg kan uppskatta dess yttemperatur och vanligtvis känna till dess ljusstyrka och storlek, satte astronomerna Ejnar Hertzsprung och Henry Norris Russell in dessa egenskaper i ett diagram som i dag är känt som Hertzsprung-Russell-diagrammet, som de båda utvecklade oberoende av varandra runt 1910.
På detta H-R-diagram ordnar den vertikala axeln stjärntyperna från svagaste till ljusaste, medan den horisontella axeln ordnar dem från hetaste till svalaste, med hänsyn till deras temperatur, färg och stjärnklassificering. Resultatet är en diagonal gruppering som ordnar stjärnorna efter dessa egenskaper: denna del av diagrammet kallas huvudsekvensen.
De flesta av stjärnorna befinner sig i huvudsekvensen. De lyser tack vare kärnfusionsreaktionerna i deras kärna, som omvandlar väte till helium. Dessa stjärnor befinner sig i det skede då de är mogna och tillbringar större delen av sitt aktiva liv. I mänskliga termer skulle huvudsekvensen vara det skede som sträcker sig från tonåring till pensionering. Vår sol verkar befinna sig nära mitten av denna stjärnlivslängd: den är en gul stjärna av medelhög G-typ.
Stjärnornas periodiska system
Stjärnor kan lysa i miljarder år, men ingenting varar för evigt. Bränslet som de använder för kärnreaktioner är begränsat och tar så småningom slut. När det inte finns något väte kvar att bränna tar heliumfusionen över, men till skillnad från det föregående steget är detta mycket mer energirikt. Detta gör att stjärnor som når slutet av sitt liv sväller till tusentals gånger sin ursprungliga storlek och blir jättar. Expansionen gör också att de förlorar värme på ytan, eftersom de måste fördela mer energi över en större yta, och det är därför de blir röda. Dessa röda jättestjärnor är ett undantag och befinner sig i den övre högra delen av diagrammet, den så kallade röda jättezonen.
De röda jättarna varar inte länge (på stjärnornas skala) och förbrukar snabbt det lilla bränsle de har kvar. När detta händer tar stjärnan slut på de kärnreaktioner i sitt inre som tidigare upprätthöll stjärnan; gravitationen drar då på hela dess yta och krymper stjärnan ner till en dvärg. På grund av denna brutala komprimering koncentreras energin och dess yta ökar i temperatur, vilket radikalt ändrar dess ljusstyrka till vit. Stjärnans lik kallas vit dvärg. Dessa stjärnkroppar är ett annat undantag från huvudföljden och ligger längst ner till vänster i diagrammet.
En av vetenskapens största bedrifter är utan tvekan det periodiska systemet av grundämnen. Man skulle kunna säga att Hertzsprung-Russell-diagrammet är stjärnornas periodiska system. I sin fullständiga form kan det se ut som en märklig och deformerad regnbåge, men när vi väl vet hur man läser det kan vi se hur stjärnornas olika färger förhåller sig till deras temperatur, storlek, ljusstyrka och fas i stjärnornas liv, fördelade på ett ordnat och elegant sätt. Det är en underbar skattkarta för astronomifantaster: nyckeln till att hoppa in i en annan dimension, både när det gäller kunskapen om kosmos och förmågan att njuta av himlavalvets skönhet.