Les sections Magnitude
et Distance ont montré comment mesurer la luminosité intrinsèque d'une étoile.
La section Classification Spectrale a défini le type spectral d'une étoile, fonction essentiellement de la température d'une étoile. A partir de la température et de la luminosité, le diagramme Hertzsprung-Russell montre comment s'organise la physique stellaire.
Diagramme HR synthétique, avec les différentes classes stellaires. Les axes d'un diagramme HR rendent compte en abscisse d'une dépendance avec la température, en ordonnée avec la luminosité de l'étoile.
Crédit :
ASM
Diagramme type spectral/magnitude absolue
En 1911, l'ingénieur et astronome amateur danois Ejnar Hertzsprung traçait un diagramme type spectral-magnitude absolue pour des étoiles appartenant à un
même amas stellaire. Il remarqua que les points ne se répartissaient pas de manière aléatoire dans ce diagramme.
Deux ans plus tard, l'astronome américain Henry Norris Russell construisait, indépendamment, un diagramme similaire en utilisant un échantillon d'étoiles dont il connaissait la magnitude absolue grâce à leur parallaxe.
Diagramme de Russell
Diagramme de H.N. Russell, paru dans la revue Nature en 1914, montrant une relation empirique entre le type spectral et la magnitude absolue.
Crédit :
ASM
Diagramme HR
Le diagramme qui représente pour un groupe d'étoiles le type spectral et la magnitude absolue est appelé diagramme de Hertzsprung-Russell, ou en abrégé diagramme HR (se prononce : diagramme hache-ère).
Les deux astronomes mettaient en évidence une relation très importante entre la luminosité intrinsèque et la température de surface des étoiles. Le diagramme de Hertzsprung-Russell devint rapidement un élément incontournable de l'étude de l'évolution et de la physique stellaire.
Les étoiles adultes
Le diagramme HR historique montrait déjà que la majorité des étoiles se retrouvent sur une bande précise, plus tard appelée séquence principale.
Diagramme de Russell
Diagramme de H.N. Russell, paru dans la revue Nature en 1914, montrant une relation empirique entre le type spectral et la magnitude absolue.
Crédit :
ASM
La statistique évoluant, cet état de fait subsiste, comme le montrent les données Hipparcos.
Etoiles du catalogue Hipparcos, dessinant la séquence principale. Les étoiles les plus brillantes (comme les géantes rouges p.ex.) sont surreprésentées par rapport aux naines les plus froides de la séquence principale.
Crédit :
ASM
Objectifs
Définir la séquence principale : elle regroupe les étoiles de classe V, à l'état "adulte".
Séquence principale
La plupart des étoiles se retrouvent sur une séquence donnée du diagramme HR.
Définition
La séquence principale représente les étoiles du diagramme HR en train de brûler leur hydrogène en hélium.
Age zéro
Les étoiles évoluent sur la séquence principale, leur coeur s'appauvrissant en hydrogène et s'enrichissant en hélium. Les étoiles justes formées sont situées sur l'extrémité inférieure de la séquence.
Les étoiles dans le diagramme HR
Comme l'ont montré Hertzsprung et Russell, la physique stellaire conduit à une répartition non aléatoire des étoiles dans un diagramme température-magnitude absolue.
Les étoiles recensées par le satellite d'astrométrie Hipparcos.
Crédit :
ESA
Les axes du diagramme HR
Différents paramètres peuvent permettre de construire un diagramme HR, pourvu qu'ils rendent compte de la température en abscisse et de la magnitude absolue en ordonnée.
Les différents axes pour construire un diagramme HR, et les classes de luminosité dans le diagramme couleur-magnitude.
Crédit :
ASM
Objectifs
Le diagramme Herztsprung-Russell classe les étoiles par température et luminosité.
Les étoiles dans le diagramme Herztsprung-Russell
Dans le diagramme HR, avec la température en abscisse et la luminosité en ordonnée, les étoiles ne se répartissent pas au hasard, mais peuplent
au contraire des zones bien définies. Ainsi, on distingue la région de la séquence principale, une longue bande diagonale s'étirant des étoiles lumineuses et chaudes (bleues) vers les étoiles
peu brillantes et froides (rouges); au-dessus, les branches des géantes et des supergéantes ; et en-dessous une région peuplées d'étoiles chaudes mais très peu lumineuses, les naines blanches.
Les classes de luminosité dans le diagramme couleur-magnitude.
Crédit :
ASM
Les classes de luminosité
Les différentes classes de luminosité se retrouvent dans le diagramme HR.
Les lignes qui dessinent les différentes classes de luminosité correspondent
à des valeurs moyennes de la magnitude absolue pour un ensemble d'étoiles ayant même classe de luminosité.
La classe I des supergéantes est subdivisée en deux classes, Ia et Ib, de luminosités distinctes.
Les axes du diagramme HR
Les grandeurs physiques définissant les axes du diagramme HR peuvent être mesurées par différents paramètres, donnant ainsi lieu à différentes formes du diagramme HR.
Le type spectral d'une étoile est une mesure qualitative de sa température effective aussi, ce paramètre est-il utilisé en abscisse. Plus directement issu de l'observation, l'indice de couleur rend simplement compte de la
température. Le diagramme résultant est alors appelé diagramme couleur-magnitude.
En ordonnée, magnitude absolue et luminosité jouent un rôle équivalent.
Les paramètres du diagramme HR
| Abscisse | Température effective - Indice de couleur - Type spectral... |
| Ordonnée | Luminosité (en W ou en luminosité solaire) - Magnitude absolue ... |
Les différents paramètres en abscisse et ordonnée d'un diagramme HR
De l'intérêt du diagramme HR
La représentation en diagramme HR présente de multiples intérêts :
- Traiter un grand nombre d'étoiles
- Présenter synthétiquement divers résultats
- Bien distinguer les objets stellaires, et mettre en avant la physique idoine.
Courbes isorayons
Le diagramme HR met en avant la luminosité et la température d'une étoile.
Par ailleurs, la loi de rayonnement du corps noir relie la luminosité d'une étoile à sa température et à son rayon.
On en déduit que la répartition des rayons stellaires dans le diagramme HR ne relève pas du hasard. La relation :
implique que, dans un diagramme HR en coordonnées 
les lignes d'isorayon stellaire sont des droites de pente 4 (qui apparaissent avec une pente négative si l'on oublie de tenir compte que l'axe des températures croît vers la gauche dans un diagramme HR).
Courbe isorayon dans le diagramme HR.
Crédit :
ASM
Différents diamètres stellaires, à l'échelle.
Crédit :
ASM
Des naines aux géantes
Ce qui précède est bien en accord avec les classes de luminosités. On remarque que la séquence principale correspond à des étoiles naines, toutefois de rayon un peu plus important pour les étoiles chaudes.
Rayon, température...
Voir les exercices de la page corps noir.
Diagramme HR d'un amas
La représentation dans le diagramme HR d'un amas d'étoiles peut se faire directement en magnitude apparente. Comme la dimension de l'amas est petite devant sa distance, les étoiles sont toutes quasiment à même distance, et ce dernier paramètre devient transparent pour l'intercomparaison des étoiles de l'amas.
Evolution dans le diagramme HR
L'évolution stellaire montre que les étoiles les plus massives évoluent très rapidement. Les étoiles de l'amas s'étant formées quasiment simultanément, on ne peut pas trouver des étoiles jeunes dans un amas contenant des étoiles vieilles.
Les diagrammes pour l'amas des Pléiades, et l'amas
M67, dont les étoiles sont respectivement jeunes et vieilles, présentent donc des aspects fort différents.
Diagramme magnitude apparente - indice de couleur de l'amas des Pléiades. L'amas, jeune, comprend des étoiles jeunes.
Crédit :
ASM
Diagramme magnitude apparente - indice de couleur de l'amas M67. Les étoiles sont âgées, et donc les types spectraux correspondant aux étoiles massives en sont absents.
Crédit :
ASM
Bande d'instabilité
Une région du diagramme HR réunit la plupart des étoiles variables. On l'appelle bande d'instabilité. Dans cette bande, les conditions thermodynamiques de l'enveloppe stellaire sont telles qu'un mouvement de relaxation conduit à une pulsation, le plus souvent radiale, des couches stellaires externes. Cette pulsation se traduit par une variation de luminosité périodique.
La bande d'instabilité dans le diagramme HR.
Crédit :
ASM
Biais
Une représentation dans le diagramme HR peut être trompeuse, si les données sont biaisées. Les diagrammes HR des étoiles les plus
proches ou de celles les plus
brillantes ne sont pas représentatifs. Dans un cas, on sélectionne les étoiles les plus fréquentes, dans l'autre, uniquement les plus brillantes.
Diagramme HR des étoiles les plus proches (parallaxe supérieure à 0.11").
Crédit :
ASM
Diagramme HR des étoiles les plus brillantes (magnitude apparente inférieure à 3).
Crédit :
ASM
Diagramme HR des étoiles les plus lumineuses
Diagramme HR des étoiles les plus brillantes 
L'appliquette ci-dessus propose divers paramètres des étoiles les plus brillantes du ciel.
- Déterminer leur distance, en parsec.
sélection case E1, puis commande : = 1000./C1
- Déterminer la magnitude absolue
sélection case F1, puis commande : = 5-5*log(E1)+B1
- A l'aide de l'appliquette, représenter le diagramme HR de ces étoiles
(dérouler la fenêtre pour accéder aux boutons de commande).
- Retrouve-t-on la signature de toute la séquence principale ?
Diagramme HR des étoiles les plus proches
Diagramme HR des étoiles les plus proches
L'appliquette ci-dessus propose divers paramètres des étoiles les plus
proches du ciel.
- A l'aide de l'appliquette, représenter le diagramme HR de ces étoiles.
- Retrouve-t-on la signature de toute la séquence principale ?
Les pages qui précèdent illustrent l'intérêt très large de la représentation des objets stellaires dans le diagramme HR. Connaître une étoile nécessite la donnée des paramètres primaires, au premier rang desquels figurent la luminosité et la température effective. Ensuite, on peut s'intéresser à la métallicité, la masse, le rayon, la structure interne....
A ce titre, le diagramme HR est un outil et un mode de représentation très courant en astrophysique. Des diagrammes HR ou portions de diagramme HR apparaissent dans nombre de publications. La figure ci-dessous illustre par exemple le gain de précision apportée par des obervations (astérosismologiques en l'occurrence) permettant de définir la position dans le diagramme HR d'une vieille étoile du disque galactique. Les incertitudes de mesure sur la luminosité et la température définissent une boîte d'erreur, d'autant plus petite que les mesures gagnent en précision.
Localisation de l'étoile HD 203608 dans le diagramme HR avant (trait tireté bleu) et après (domaine rose à rouge) l'observation des oscillations de cette étoile. La boîte d'erreur est considérablement réduite grâce à la précision des mesures astérosismiques.
Crédit :
ASM