vignette|540x540px|Le diagramme de Hertzsprung-Russell figure les étoiles. En abscisse, l'indice de couleur (B-V) ; en ordonnée, la magnitude absolue. La séquence principale se voit comme une bande diagonale marquée allant du haut à gauche au bas à droite. Ce diagramme représente du catalogue Hipparcos, ainsi que de faible luminosité (naines rouges ou blanches) extraites du catalogue Gliese des étoiles proches.
En astronomie, la séquence principale est une bande continue et bien distincte d'étoiles qui apparaissent sur des diagrammes où l'abscisse est l'indice de couleur B-V Les lettres B et V désignent la magnitude d'une étoile vue à travers deux filtres colorés normalisés différents, pour B et (vert-jaune) pour V. La différence montre dans quelle mesure la couleur s'éloigne du bleu. et l'ordonnée la luminosité ou, en sens inverse, la magnitude absolue des étoiles. Ces diagrammes couleur-luminosité sont connus sous le nom de « diagrammes de Hertzsprung-Russell », d'après leurs co-inventeurs Ejnar Hertzsprung et Henry Norris Russell. Les étoiles figurant dans cette bande sont connues sous le nom d’étoiles de la série principale, ou « étoiles naines ». Ainsi, environ 90 % des étoiles observées au-dessus de sont sur la séquence principale.
La séquence principale est aussi le stade principal de l'évolution d'une étoile. C'est pendant cette période que ses caractéristiques correspondent à celles de la séquence principale du diagramme Hertzsprung-Russell et qu'elle s'y trouve effectivement représentée.
La proportion élevée d'étoiles sur la séquence principale est due au fait que cette séquence correspond à la phase de fusion de l'hydrogène en hélium, laquelle dure la majeure partie de la durée de vie totale de l'étoile (en raison de la prépondérance de l'hydrogène dans la composition initiale et parce que la fusion d'hydrogène en hélium est la plus exoénergétique des réactions de fusion nucléaire).
Histoire Au début du , on commence à avoir des informations plus fiables sur les types et les distances des étoiles : elles montraient des spectres (à l'époque, leur partie visible) de structures différentes. Annie Jump Cannon et Edward Charles Pickering, au Harvard College Observatory (Observatoire de l'université Harvard) en déduisent alors une méthode de classification, connue sous le nom de Schéma de classification de Harvard, publiée dans les Annales de Harvard en 1901..
À Potsdam, en 1906, l'astronome danois Ejnar Hertzsprung remarque que les étoiles les plus rouges, classées K et M dans le schéma de Harvard, peuvent être sub-divisées en deux groupes bien séparés : celles qui sont beaucoup plus brillantes que le Soleil, qu'il nomme « géantes » ; et celles qui le sont beaucoup moins, les « naines ». L'année suivante, il commence à étudier des amas stellaires ; c'est-à-dire de grands échantillons d'étoiles qui sont toutes à peu près à la même distance (le propre d'un amas est de regrouper de très nombreuses étoiles dans un espace de faible dimension). Il publie les premiers diagrammes de luminosité en fonction de la couleur pour ces étoiles. Ces diagrammes présentent une suite claire et continue d'étoiles, qu'il nomme « séquence principale »..
À l'université de Princeton, Henry Norris Russell poursuit ses recherches dans la même direction. Il étudie la relation entre classification spectrale et luminosité absolue, la magnitude absolue. À cette fin, il utilise un échantillon d'étoiles de parallaxes fiables, dont beaucoup ont été classifiées à Harvard. Quand il classe les types spectraux de ces étoiles en fonction de leur magnitude absolue, il trouve que les étoiles naines suivent une relation bien définie. Ceci lui permet de prédire la magnitude absolue d'une étoile avec une relative précision..
Parmi les étoiles rouges observées par Hertzsprung, les naines suivent aussi la relation couleur-luminosité découverte par Russell. Mais comme les géantes sont bien plus brillantes que les naines, elles ne suivent pas la même relationLe paragraphe Nomenclature de cet article. Russell propose que . Le même diagramme montre aussi qu'il y a quelques rares étoiles blanches très peu lumineuses.
En 1933, Bengt Strömgren introduit l'expression « diagramme de Hertzsprung-Russell » pour désigner un diagramme montrant la luminosité en fonction de la classe spectrale.. Ce nom renvoie à la mise au point de cette technique, en parallèle par Hertzsprung et Russell, au début du siècle.
Séquence principale Le théorème de Vogt-Russell, mis au point dans les années 1930, établit une relation entre la masse de l'étoile d'une part, le rayon et la luminosité de cette étoile de l'autre. Le diagramme HR utilisant ces mêmes valeurs, on peut déduire la masse et le rayon d'une étoile à partir de sa position dans le diagramme (cependant, on a découvert plus tard que le théorème n'est plus exact si la composition de l'étoile n'est pas uniforme)..
Un schéma amélioré pour la classification stellaire, dit « MK », a été publié en 1943 par W. W. Morgan et P. C. Keenan.. La classification MK donne à chaque étoile un type spectral basé sur la classification de Harvard – et une classe de luminosité. La classification de Harvard avait été mise au point en attribuant des lettres aux types d'étoiles en fonction de l'importance des diverses raies du spectre de l'hydrogène, avant que la relation entre spectre et température ne fût connue. Si on les range par ordre de température, et en éliminant les doublons, on obtient les types spectraux en fonction des températures décroissantes, avec des couleurs allant du bleu au rouge : la séquence devient O, B, A, F, G, K et MPour les anglophones, une phrase mnémotechnique pour se rappeler la suite des types est .. Les classes de luminosité vont de I à V, par ordre de luminosité décroissante. Les étoiles de luminosité V forment la séquence principale..
Étoiles de la séquence principale Quand une proto-étoile se forme dans l'effondrement d'un nuage moléculaire géant de gaz et de poussière dans le milieu interstellaire local (stellogénèse), elle est initialement homogène et se compose d'environ 70 % d'hydrogène et 28 % d'hélium, plus des traces des autres éléments. La masse initiale de l'étoile dépend des conditions locales dans le nuage.
Pendant cet effondrement initial, l'étoile naissante dite dégage de l'énergie (sous forme cinétique et de température notamment) par la pression interne qui en résulte. Quand la proto-étoile atteint une densité suffisante pour dépasser la barrière coulombienne, le processus de fusion nucléaire commence à transformer l'hydrogène en hélium dans le cœur, et à dégager ainsi davantage d'énergie centrifuge, laquelle va peu à peu équilibrer l'énergie gravitationnelle essentiellement centripète.
La densité de l'étoile se stabilise et la fusion nucléaire de l'hydrogène devient le processus dominant de production d'énergie..
Équilibre Une fois qu'une étoile s'est formée, elle crée de l'énergie dans son cœur chaud et dense, par fusion nucléaire des noyaux d'hydrogène en noyaux d'hélium. Pendant cette période de la vie de l'étoile, elle se trouve sur la séquence principale du diagramme HR, à un point défini principalement par sa masse, avec quelques corrections dues essentiellement à sa composition chimique. La distribution des masses des étoiles nouvellement formées est décrite empiriquement par la fonction de masse initiale..
Toutes les étoiles de la séquence principale ont une région de cœur où l'énergie est produite par fusion nucléaire. La température et la densité de ce cœur sont à des niveaux suffisants pour entretenir la production d'énergie capable de soutenir le poids du reste de l'étoile. Une réduction de la production d'énergie produirait une compression par ce poids, ce qui rétablirait la production d'énergie à son niveau convenable, en raison de l'élévation de la pression et de la température. Inversement, un accroissement trop prononcé de la production d'énergie ferait gonfler l'étoile, diminuant ainsi la pression et la température du cœur. L'étoile forme donc un système auto-régulé en équilibre hydrostatique, stable tout au long de son séjour sur la séquence principale(Brainerd, 2005).. Toutes les étoiles de la séquence principale sont dans cet état stable, avec la pression thermique du cœur chaud qui équilibre la pression gravitationnelle des couches supérieures, et l'essentiel de leurs caractéristiques résultent de cet équilibre.
Répartition initiale Les caractéristiques de l'étoile déterminent sa place dans le diagramme de Hertzsprung-Russell, sur une courbe qui s'appelle la . Les astronomes se réfèrent parfois à ce stade comme la séquence principale d'âge zéro (ZAMS, acronyme anglais pour ).. La courbe ZAMS peut être calculée en utilisant des modèles numériques des propriétés stellaires au moment où l'étoile commence la fusion. À partir de ce point, la luminosité et la température de surface des étoiles augmentent en général avec l'âgeparagraphe Trajectoires d'évolution de cet article.
La majorité des étoiles sur un diagramme HR typique se trouvent sur la séquence principale. Cette ligne est accentuée parce que le type spectral et la luminosité ne dépendent que de la masse de l'étoile, au moins en première approximation, tant que l'étoile accomplit la fusion de l'hydrogène dans son cœur – et c'est ce que font presque toutes les étoiles pendant la majorité de leur vie active ..
La variation d'intensité lumineuse entre les étoiles les moins chaudes est assez importante pour différencier les naines (rouges, orange ou jaunes) des plus grosses. Cependant, pour les étoiles plus chaudes (blanches et bleues), la variation de taille et de luminosité entre les étoiles. Pour cette raison, la nomenclature différencie les étoiles naines des géantes en se référant à la différence entre les spectres, dont les raies indiquent si l'étoile est sur la séquence principale ou en dehors. Néanmoins, des étoiles sur la séquence principale, même très chaudes et massives peuvent être appelées parfois naines..
D'autres facteurs contribuent à étaler la séquence principale sur le diagramme HR : incertitude sur la distance des étoiles, et présence d'étoiles binaires non résolues qui peuvent modifier les paramètres stellaires observés. Mais même une observation parfaite montrerait une séquence principale élargie, car la masse n'est pas le seul paramètre qui affecte la couleur et/ou la luminosité d'une étoile. Outre les variations en composition chimique – tant par l'abondance initiale que par l'évolution de l'étoile. – l'interaction avec un compagnon rapproché., une rotation rapide., ou un champ magnétique peut aussi changer la position d'une étoile légèrement sur le diagramme HR, pour citer quelques facteurs. Par exemple, il y a des étoiles très pauvres en éléments de numéro atomique supérieur à celui de l'hélium – ce sont les étoiles à faible métallicité – qui se trouvent juste en dessous de la séquence principale. Nommées sous-naines, ces étoiles effectuent la fusion de l'hydrogène dans leur cœur, et marquent la limite basse de la séquence principale, en ce qui concerne la composition chimique..