Для дальнейшего важно, сохраняется ли достаточно постоянной масса звезды и есть ли в ней перемешивание вещества (конвекция), при котором топливо (водород) все время поступает из внешних частей к ядру, где оно «сгорает».
В 1942 г. Чандрасекар и Шенберг сделали важный шаг дальше. Приняв, как делают и сейчас, с достаточным основанием, что масса звезды постоянна, а перемешивания нет, они заключили, что вместо «сгоревшего» в центре водорода возникает гелиевое ядро, все время растущее. Светимость звезды при этом должна возрасти в 2 1/2 раза к той эпохе, когда масса гелиевого ядра достигает 10 % от полной массы. Водород выгорает долго: у массивных звезд сотни тысяч лет, у звезд с массой Солнца — несколько миллиардов лет. Ввиду этого большинство звезд на этой стадии мы и застаем.
Важным и неожиданным был результат расчетов М. Шварцшильда и Сандейджа в 1952 г. Они нашли, что гелиевое ядро, лишившееся источников энергии, станет сжиматься, а внешние слои будут расширяться. Энергия будет поступать только из тонкого водородного слоя вокруг ядра. При надлежащем подъеме температуры в ядре наступит реакция, при которой три ядра атома гелия превращаются в ядро атома углерода, и эта новая выделяющаяся энергия питает звезду, превращающуюся в красного гиганта (или сверхгиганта!). Это превращение идет тем быстрее, чем больше масса звезды.
Для сравнения данных теории с наблюдениями надо обратиться к диаграмме Герцшпрунга — Рессела (сокращенно — диаграмме Г — Р), иначе говоря, к диаграмме спектр (или цвет, или температура поверхности) — светимость. Мы о ней говорили уже вскользь в разделе «Перепись звездного населения на диаграмме светимостей — спектров». Эта перепись вместе с кривой, связывающей массы и светимости звезд, является важнейшим обобщением наблюдений — картиной существующих сочетаний основных физических характеристик звезд. Теории звездной эволюции должны ей удовлетворять. На рис. 152 схематически полосами изображено расположение звезд основных последовательностей, которые выявлены в общей массе изученных звезд. При этом по горизонтальной оси вместо спектров или температур отложен показатель цвета — разность звездной величины звезды в синих и в визуальных лучах. Использование фотоэлектрических фотометров позволило очень точно измерять эти величины. Очень важно, что их этим способом можно измерять и у очень слабых и далеких звезд. Увеличение точности измерения цвета звезд сыграло огромную роль в развитии теории звездной эволюции. Положение звезды на диаграмме должно зависеть от ее массы, начального химического состава и возраста.
Мы видим, что диаграмма Г — Р стала гораздо сложнее, чем казалось сначала. На помощь теории эволюции звезд пришло изучение яркости и цвета звезд в разных рассеянных и шаровых скоплениях.
На рис. 194 представлена знаменитая, классическая сводная диаграмма, составленная Сандейджем в 1957 г. по наблюдениям ряда рассеянных и шарового скоплений. Названия их указаны.
Мы видим, что все скопления имеют в нижней части диаграммы Г — Р общую главную последовательность звезд (отмечено, где на ней находилось бы наше Солнце). Но верхние концы последовательности в каждом скоплении простираются неодинаково далекой все отклоняются вправо, причем ответвление вправо происходит при разной абсолютной величине (при разной светимости) и при разных значениях показателя цвета.
Обратим внимание, например, на то, что скопления χ и h (хи и аш) Персея, имеющие очень яркие голубые звезды (слева вверху), имеют еще и ветвь красных сверхгигантов (справа вверху), что ярчайшие голубые звезды Плеяд менее ярки, а в NGC 752 совсем слабы и не голубые, а желтоватые. Правая ветвь у М 67 сильно отличается от остальных и сходна больше с ветвью для шарового скопления М 3. Все это крайне важно потому, что звезды одного скопления занимают малый объем и возникли из единого облака газа, а поэтому должны были иметь одинаковый начальный химический состав. Возраст звезд скопления должен быть примерно одинаковым. Спасибо природе за существование звездных скоплений. Они заменили астрономам лаборатории, в которых физики создают известные им условия и не допускают воздействия на вещество слишком многих факторов сразу.
С другой стороны, теория позволила вычислить положение на рис. 194 теоретической линии главной последовательности для недавно образовавшихся звезд (линия «нулевого возраста» или линии начальной главной последовательности), а также линии для звезд в возрасте одного и пяти миллиардов лет. Большинство ближайших к нам звезд оказывается тогда моложе пяти миллиардов лет, так как на диаграмме Г — Р они лежат левее кривой, соответствующей 5109 лет.