Das HRD ist ein wichtiges Werkzeug zur Klassifikation von Sternen und gibt Auskunft über die Zusammenhänge zwischen Spektraltyp und Leuchtkraft eines Sterns.
Bereits 1905 stellte der Astronom Ejnar Hertzsprung fest, dass rote Sterne eine unterschiedliche Leuchtkraft besitzen. Basierend auf dieser Erkenntnis ordnete der Astronom Henry Norris Russell die Sterne in einem Diagramm an.
Russell stellte den Spektraltyp verschiedener Sterne ihrer absoluten Helligkeit gegenüber. Trägt man ausreichend viele Sterne in ein Koordinatensystem ein, bei dem die x-Achse den Spektraltyp und die y-Achse die absolute Helligkeit darstellt, ergeben sich linienförmige Anordnungen von Sternen.
Der Spektraltyp eines Sterns ist vorrangig von seiner Oberflächentemperatur abhängig, weshalb in einigen HRDs die x-Achse die Oberflächentemperatur darstellt. Im oben gezeigten Diagramm wird an der y-Achse die Leuchtkraft als Alternative zur absoluten Helligkeit als Kriterium herangezogen.
Hauptreihensterne
Die auffälligste Häufung im Hertzsprung-Russell-Diagramm ist die sogenannte Hauptreihe. Sie erstreckt sich von den O-Sternen links oben bis zu den M-Sternen im unteren Bereich. Hauptreihensterne verbringen 90 % ihrer Lebenszeit mit der Fusion von Wasserstoff zu Helium und befinden sich im hydrostatischen Gleichgewicht.
Riesen und Überriesen
Oberhalb der Hauptreihe befindet sich der sogenannte Riesenast, auf dem sich die Riesensterne mit großem Radius und hoher Leuchtkraft befinden. Ihre Leuchtkraft wird nur noch von den darüberliegenden hellen Riesen, Überriesen und Hyperriesen übertroffen.
Obwohl die Über- und Hyperriesen über mehrere Spektraltypen verteilt sind, weisen sie eine nahezu identische Leuchtkraft auf. Trotz ihrer sehr unterschiedlichen Oberflächentemperatur scheinen die Überriesen also ähnlich hell zu leuchten.
Erklärt werden kann dies anhand der Formel \(L = 4 \pi R^2 \sigma T^4\): Sie sagt aus, dass die Leuchtkraft \(L\) abhängig vom Quadrat des Radius \(R\) und von der vierten Potenz der Temperatur \(T\) ist. Wenn die Oberflächentemperatur \(T\) abnimmt, muss \(R\) größer werden, um \(L\) erhalten zu können.
Für den Stern bedeutet das, dass sein Radius stark zunehmen muss, um trotz geringerer Oberflächentemperatur eine ähnliche Leuchtkraft aufweisen zu können.
Unterzwerge
Dieses Prinzip ist auch auf die Weißen Zwerge links unten im HRD übertragbar. Gemäß ihrer Spektralklasse besitzen sie zwar eine hohe Oberflächentemperatur, dafür aber nur eine geringe Leuchtkraft. Wenn die Leuchtkraft \(L\) trotz der hohen Temperatur \(T\) relativ klein ist, muss es der Radius \(R\) sein, der bei diesen Sternen stark abgenommen hat. Tatsächlich beträgt der Radius eines Weißen Zwergs lediglich 7000 bis 14000 km.
Parallel zu den Weißen Zwergen existieren Rote Zwerge mit einer entsprechend niedrigen Oberflächentemperatur. Sie sind links unten im Diagramm angeordnet.
