赫罗图

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第465页（3831字）

是用恒星的表面温度和光度两个天体物理量反映恒星的序列性的图，因发现者的姓氏而得名。

恒星的表面温度，即根据斯特藩定律求出的所谓的有效温度，可以用恒星的光谱型表示，也可以用色指数，即恒星表面的颜色表示。光度则是恒星每秒中的总辐射量。

所以，赫罗图也称光谱型－光度图或色指数－光度图。对于同一个星团或同一个星系内的成员恒星而言，可以认为它们均处于同一距离上，能用观测到的亮度大小来反映成员恒星的真实的光度高低。

在此前提下，赫罗图也称为颜色－星等图。

1905～1907年，丹麦赫茨普龙(E．Hertzsprung，1873～1967)根据恒星辐射的研究，首次指出恒星有高光度的巨星和小光度的矮星之分。

1907～1912年，他分析了银河系的几个疏散星团的成员恒星的色指数和亮度的观测资料，发现昴星团中的恒星在用色指数和亮度这两个观测量绘制的图上排列有序，构成一条相当连续的曲线。在毕星团和鬼星团中，除均有类似的恒星序列外，还有光谱型很晚，但光度很高的红巨星。

赫茨普龙的疏散星团颜色－星等图是天文学史上第1批揭示恒星的表面温度和光度的内在关系图。

美国罗素(H．N．Russell)，从1907年起独立地研究已测定距离的恒星的光谱型和光度之间的统计关系，于1913年发表了300多个恒星的光谱型和光度的关系图，发现它们排列有序：大部分恒星密集在从图的左上角(光度大、温度高)到右下角(光度小、温度低)的斜带上。后世称之为主星序，并将主星序上的恒星称为主序星。太阳在图上位于主星序上，为一个G光谱型的主序矮星。

在图上还分布着从左上到右上(光度高、温度从高到低)的水平带的巨星，称为巨星序；以及零散在左下角(光度小、温度高)的白矮星。这是天文学史上第1幅光谱型－光度图。到1933年，天文文献中才正式地将赫茨普龙和罗素各自独立地发现用恒星的表面温度和光度为参数绘制的用以揭示恒星的基本特征的图称为HR Diagram，中文名定为赫罗图。

近半个世纪，随着观测技术和方法的改进、更新以及观测资料的日益丰富(这主要是指恒星的距离测定、恒星的光度测量和光谱分类、星际消光的研究进展)，在赫罗图上陆续发现新的恒星序列：超巨星、亚巨星、亚矮星等分支。

浏览一下赫罗图上的恒星分布，便能领略恒星世界既是形形色色、五花八门，又具有序列和规律：表面温度从低于3000度的光谱型为晚M型的红星，到2．5万度以上的光谱型为O和B型的蓝白星；光度从不及太阳光度千分之一的红矮星，到比太阳亮一万倍的高光度星；质量从不到1／10个太阳的矮星，到近百倍于太阳的巨星；直径从只有太阳1／10的白矮星，到比太阳大千倍的红超巨星。恒星为什么会在赫罗图上排列有序?自从1920年之后，由英国爱丁顿(A．S．Eddington)奠定了基础的恒星结构学说、1937～1939年经德国魏茨泽克(C．F．von Weizsacker)和美国贝特(H．A．Bethe)建立的恒星能源的热核反应理论，特别是1958年美国史瓦西(M．Schwarzschild)将恒星结构和演化结合起来的研究，使我们得知，恒星的结构取决于质量和化学成份。

若化学成份给定，每一恒星的质量，对应于一定的光度和温度。所以，当化学成份不同时，在赫罗图上要出现不同的序列。

另一方面，随着时间的推移，恒星的内部结构逐渐演变，并反映到光度和表面温度，从而改变恒星在赫罗图上的位置。

银河系内，绝大多数恒星的质量在十分之一和十倍于太阳质量的范围内。

化学成份的差异也不大，按质量计，氢占70%～80%、氦占20%～30%、其他元素占0．1%～2%。所以，恒星在赫罗图上有明显的规律性。

恒星最密集的主星序表示演化的缓慢阶段，占一个恒星整个存在期的90%的岁月。1944年，德国巴德(W．Baade)发现银河系内的天体按年龄、化学成份、空间分布和运动特征，可划分为不同的两个星族，称为星族Ⅰ和星族Ⅱ。前者年轻，后者年老。1957年，后人又细分为5个星族，即臂族、中介星族Ⅰ、盘族、中介星族Ⅱ和晕族。

太阳附近的恒星多属星族Ⅰ，太阳也是星族Ⅰ中的一个。罗素早期的光谱型－光度图反映的正是星族Ⅰ的特征和规律。当探测到银河系的更深远的空间，更发现星族Ⅰ和星族Ⅱ的赫罗图不一致。虽然都有各自的主星序，但在图上的位置并不重合。

星族Ⅰ是除氢和氦以外的其他元素含量较多的年轻恒星，而星族Ⅱ则是其他元素含量较少的老年天体。

赫罗图还是表明恒星的起源、演化和消亡的写照。所有的恒星都有有限的存在期。恒星起源于星际物质的聚合。

当星前天体的密度足够大时，因引力坍缩而变成星胚，即是星前体。随着密度增大、内核温度增高，开始发光发热。星前体遂出现在赫罗图上，弥散地分布在主星序的右侧。当星前体的核心温度高达1000万度左右，热核反应成为发光的主要能源，一个真正的恒星诞生。

它在赫罗图上从右向左进入主星序的行列。一个太阳质量的天体，走完星前阶段，得几百万年；质量5倍于太阳的天体，只需几十万年。恒星停留在主星序阶段长达几十亿年到上百亿年。当恒星的核心能源耗尽，核心区的核反应终止，恒星因结构失衡而体积增大、表面温度降低。在赫罗图上，从主星序移向右上方的巨星分支，变成红巨星。

随后，出现一个不稳定阶段，在图上从右往左横移。再往后，可能变成行星状星云。最后，星云外壳消散，剩下来的是没有能源的白矮星。

最末了，余辉散尽，结束恒星的一生。所以，赫罗图上的序列反映的是不同质量、不同重元素含量及不同年龄的恒星所处的演化阶段。

在银河系中还有一定数量的变星。除了因交食、屏遮等外因造成的亮度变化者外，凡因物理原因引起光变的变星，多是处在不稳定状态下的天体。变星的演变时间尺度大大短于正常恒星在主星序上留驻的时间。一般而言，变星是恒星从量变到质变的演化转折。星前体阶段有变星、主星序上也有变星，更多类型的变星是处在离开主星序之后的演化后期阶段。变星在赫罗图上的位置也是揭示变星本原的线索。

如今，每当将精确测定的恒星光度的新数据和光谱型或色指数的新资料标定到赫罗图上，立即能对该天体作出多方面的判断和了解。

例如，是巨星还是矮星?是星族Ⅰ还是星族Ⅱ的成员?是正常星族Ⅰ主序星还是化学元素反常的天体?是处在哪个演化时期的恒星：主序前阶段?已离开主星序进入演化后期还是已成为演化晚期的天体?如果结论与预期的有所差异，甚至截然不符，那么也许是真的发现了新的天象；也许是因距离测定有误或光谱型的分类失当，这就又为改进观测数据的集录做了启示。

赫罗图从它的雏形问世以来已日趋成熟，并经历了80年的时代考验。时间的流逝，不仅没有使赫罗图变成历史陈迹，反而随着天文学家对它在反映恒星的结构和演化的内涵的不断地再认识，成为了解恒星的得心应手的工具。

然而，为了完善一幅能够做为定标之用的赫罗图，精确测定大样本的各类恒星的距离，从而取得精确的恒星光度和颜色的数据，始终是恒星天文学家的重要任务。1989年8月，欧洲诸国和美国联合研制的“依巴谷”天体测量卫星成功地发射上天。卫星载口径30cm反射望远镜，它的任务是在2～3年的有效飞行期间，对全天的亮于12．4视星等的恒星进行位置和亮度测量，完成载有12万个恒星的完备样本天体测量星表。

每个恒星的方位、视差和自行的测量精度均不超过0．002^(″)。

这样，依巴谷天体测量卫星不仅将150年来累积的恒星三角视差(即恒星距离的直接测量值)的数量扩大10倍，还将测量精度提高10～20倍，从而将提供一幅星数多、精度高的赫罗图，为恒星天文学的研究进展做重大贡献。

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【参考文献】：

1 Hertzsprung D. Zeitschrift fur Wissenschaftliche Photographie,1905,3:429. 1907,5:86

2 Russell H N. Popular Astronomy, 1914,22:275

3 Eddington A S. Nature,1920,106:14

4 Bethe H A. Physical Review,1939,55,434

5 O'Connell DJK. Stellar Populations, 1957

6 Schwarzschild M. Structure and evolution of the stars, 1958

7 Philip A G D,et al. IAU Symposium, 1978,80

8 Perryman MAC. European Space Agency, 1985 :

(北京天文台博士生导师李竞研究员撰)