Hertzsprung Russell Diagramm

Hertzsprung-Russell-Diagramm – Definition

Das Hertzsprung-Russell-Diagramm wurde 1913 von dem Astronomen Henry Noris Russell, basierend auf dem Werk von Ejnar Hertzsprung, erstmals publiziert und bis heute zur Bestimmung der charakteristischen Eigenschaften eines Sterns verwendet.

Inzwischen gibt es viele verschiedene Varianten des HRDs, die mehr oder weniger detaillierte Aussagen über einen Stern erlauben. Im Folgenden lernst Du die Variante kennen, die am häufigsten in der Schule besprochen wird.

Hertzsprung-Russell-Diagramm – Aufbau

Das Hertzsprung-Russell-Diagramm ist ein Streudiagramm mit zwei Koordinatenachsen. Auf der x-Achse siehst Du die Spektralklassen von O bis M, während die y-Achse mit der relativen Leuchtkraft des jeweiligen Sterns beschriftet ist. Im Koordinatensystem werden nun die Sterne als Punkte entsprechend ihrer Spektralklasse und Leuchtkraft eingetragen.

Folgende Abbildung zeigt ein Hertzsprung-Russell-Diagramm :

Abb. 2 - Das Hertzsprung-Russel-Diagramm

Da die Spektralklasse eines Sterns mit seiner Oberflächentemperatur zusammenhängt und die Leuchtkraft eines Sterns mit seiner absoluten Helligkeit, trägst Du an den gegenüberliegenden Seiten diese Werte ebenfalls ein.

Absolute und scheinbare Helligkeit eines Sterns

Wenn wir einen Stern von der Erde aus betrachten, sehen wir nur das Licht, das uns nach mehreren Lichtjahren Reise durch das All erreicht. Dadurch leuchten sehr weit entfernte Sterne von uns aus gesehen schwächer als nähere Sterne. Ein weit entfernter Stern könnte jedoch hundertmal heller ausstrahlen als der erdnächste Stern. Das bezeichnest Du als scheinbare Helligkeit.

Damit wir die Helligkeit eines Sterns objektiv bewerten können, haben Astronomen den Begriff der absoluten Helligkeit eingeführt:

Wir stellen uns also vor, wir würden alle Sterne am Nachthimmel in einer Entfernung von genau $10pc$ zur Erde platzieren.

Hertzsprung-Russell-Diagramm auswerten

Angenommen, Du möchtest die Oberflächentemperatur und Leuchtkraft der Sonne ermitteln. Dafür suchst Du zuerst die Koordinaten der Sonne im HRD. Anschließend trägst Du eine horizontale und eine vertikale Linie ein, die sich genau in dem Punkt, der die Sonne darstellt, kreuzen. Das könnte dann ungefähr so aussehen:

Abb. 3 - Die Sonne im HRD

Jetzt kannst Du den Linien zu den Koordinatenachsen des HRD folgen und die entsprechenden Werte ablesen.Du siehst, dass die Sonne eine Leuchtkraft von 1 hat und in der Spektralklasse G liegt. Damit liegt ihre Oberflächentemperatur zwischen $5000K-6000K$ und ihre absolute Helligkeit bei etwa $4,8mag$.

Die Sterne verteilen sich jedoch nicht gleichmäßig auf dem Hertzsprung-Russell-Diagramm. Stattdessen scheinen sie Gruppen zu bilden. Was hat es damit auf sich?

Klassifizierung von Sternen anhand ihres Orts im HRD

Im Laufe ihres Lebens durchlaufen Sterne verschiedene Entwicklungsstadien, die mit einer Veränderung in Temperatur, Größe und Leuchtkraft einhergehen. Die Gruppen im Hertzsprung-Russell-Diagramm zeigen Sterne in ihrem derzeitigen Entwicklungsstadium. Es wird grob in fünf verschiedenen Gruppen unterschieden:

• Weiße Zwerge
• Hauptreihensterne
• Riesen
• Blaue Riesen
• Superriesen

Diese Einteilung kannst Du auch auf dem folgenden Hertzsprung-Russell-Diagramm sehen:

Abb. 4 - Sterngruppen im HRD

Das bedeutet auch, dass Sterne im Laufe der Sternentwicklung ihre Position im Hertzsprung-Russell-Diagramm verändern. Unsere Sonne wird am Ende ihres Lebens zu einem Roten Riesen werden und dann an den rechten Rand der Riesen-Gruppe wandern. Dadurch wird sich auch ihre Spektralklasse ändern.

Abb. 5 - Lebenszyklus der Sonne HRD

Im Bild siehst Du den Weg der Sonne durch das HRD im Verlauf ihrer zukünftigen Entwicklung als weiße Linie eingezeichnet.

Hauptreihensterne im Hertzsprung-Russell-Diagramm

Im Moment gehört unsere Sonne allerdings noch zur Klasse der Hauptreihensterne. Diese Sterngruppe erkennst Du an der mittigen Linie, die sich im HRD von links oben nach rechts unten zieht. Die meisten Sterne des Hertzsprung-Russell-Diagramms fallen in diese Kategorie.

Darüber hinaus konnten Astronomen und Astronominnen eine Beziehung zwischen der Leuchtkraft der Hauptreihensterne und ihrer Masse feststellen.

Mithilfe der Masse-Leuchtkraft-Beziehung und des Hertzsprung-Russell-Diagramms kannst Du also auch die Masse des jeweiligen Sterns berechnen. Da die Leuchtkraft der Hauptreihensterne nach links oben hin zunimmt, nimmt auch ihre Masse zu: Schwere Sterne leuchten also heller.

Die folgende Grafik stellt dieses Phänomen nochmal in vereinfachter Ausführung dar:

Abb. 6 - vereinfachte Darstellung der Masse-Leuchtkraftbeziehung für HauptreihensterneDie Hayashi-Linie der Protosterne

Herzsprung-Russell-Diagramm – Aufgabe

Nun kannst Du selbst das HRD verwenden. Dazu schauen wir uns den hellsten Stern am Nachthimmel an: Sirius A.

Aufgabe 1

a. Bestimme mithilfe des HRD die Oberflächentemperatur, Spektralklasse, absolute Helligkeit und Charakteristik des Sterns Sirius A. Du siehst diesen Stern auf dem folgenden HRD eingetragen:

Abb. 8 - Sirius A

b. Was kannst Du aus dem Ort von Sirius A im HRD schließen?

Lösung 1

a. Zunächst trrägst Du die Linien in das Hertzsprung-Russell-Diagramm ein. Das sieht dann folgendermaßen aus:

Abb. 9 - Lösung zur Aufgabe

Jetzt kannst Du alle Werte entlang der Achsen ablesen:

$$\begin{gathered} Spektralklasse:A \\ Oberflächentemperatur:\hspace{0.17em}10.000K \\ absoluteHelligkeit:\hspace{0.17em}\hspace{0.17em}+1,4mag \end{gathered}$$

Aus seiner Spektralklasse A kannst Du folgern, dass die Charakteristik von Sirius A überwiegend aus Wasserstoff und Calcium besteht.

b. In dem Diagramm siehst Du, dass Sirius A sich entlang der Hauptreihe befindet. Er liegt allerdings etwas höher als unsere Sonne. Du kannst also daraus schließen, dass seine Masse größer ist und er heller strahlt als unsere Sonne.