Het Hertzsprung-Russell-diagram (HR-diagram) is een van de belangrijkste instrumenten in de studie van de evolutie van sterren. Onafhankelijk ontwikkeld in het begin van de 20e eeuw door Ejnar Hertzsprung en Henry Norris Russell, zet het de temperatuur van sterren af tegen hun helderheid (het theoretische HR-diagram), of de kleur van sterren (of spectraaltype) tegen hun absolute magnitude (het observationele HR-diagram, ook bekend als een kleur-magnitude diagram).
Afhankelijk van zijn oorspronkelijke massa, doorloopt elke ster specifieke evolutionaire stadia die worden bepaald door zijn interne structuur en hoe hij energie produceert. Elk van deze stadia komt overeen met een verandering in de temperatuur en helderheid van de ster, waarvan je kunt zien dat deze naar verschillende gebieden op het HR-diagram beweegt terwijl deze evolueert. Dit onthult de ware kracht van het HR-diagram: astronomen kunnen de interne structuur en het evolutiestadium van een ster kennen door simpelweg zijn positie in het diagram te bepalen.

Het Hertzsprung-Russell diagram van de verschillende stadia van de evolutie van sterren. Verreweg het meest opvallende kenmerk is de hoofdreeks (grijs), die van linksboven (hete, lichtgevende sterren) naar rechtsonder (koele, zwakke sterren) van het diagram loopt. De reuzentak en superreussterren liggen boven de hoofdreeks, en witte dwergen eronder.
Credit: R. Hollow, CSIRO.

Dit Hertzsprung-Russell-diagram toont een groep sterren in verschillende stadia van hun evolutie. Verreweg het meest opvallende kenmerk is de hoofdreeks, die van linksboven (hete, lichtgevende sterren) naar rechtsonder (koele, zwakke sterren) van het diagram loopt. De reuzentak is ook goed bevolkt en er zijn veel witte dwergen. Ook zijn de Morgan-Keenan-helderheidsklassen uitgezet die onderscheid maken tussen sterren met dezelfde temperatuur maar met een verschillende helderheid. – >
Er zijn drie hoofdgebieden (of evolutionaire stadia) van het HR-diagram:

1. De hoofdreeks strekt zich uit van linksboven (warm, lichtgevend sterren) rechtsonder (koele, zwakke sterren) domineert het HR-diagram. Het is hier dat sterren ongeveer 90% van hun leven doorbrengen met het verbranden van waterstof tot helium in hun kernen. Hoofdreekssterren hebben een Morgan-Keenan-helderheidsklasse met het label V.
2. Rode reuzen- en superreuzensterren (helderheidsklassen I tot en met III) bezetten het gebied boven de hoofdreeks. Ze hebben lage oppervlaktetemperaturen en hoge lichtsterktes, wat volgens de wet van Stefan-Boltzmann betekent dat ze ook grote radiussen hebben. Sterren komen dit evolutionaire stadium binnen zodra ze de waterstofbrandstof in hun kernen hebben uitgeput en zijn begonnen met het verbranden van helium en andere zwaardere elementen.
3. witte dwergsterren (helderheidsklasse D) zijn het laatste evolutionaire stadium van laag tot gemiddeld massasterren, en zijn te vinden in de linkerbenedenhoek van het HR-diagram. Deze sterren zijn erg heet, maar hebben een lage lichtsterkte vanwege hun kleine formaat.

De zon staat op de hoofdreeks met een lichtsterkte van 1 en een temperatuur van ongeveer 5400 Kelvin.
Astronomen gebruiken het HR-diagram over het algemeen om de evolutie van sterren samen te vatten, of om de eigenschappen van een verzameling sterren te onderzoeken. Door in het bijzonder een HR-diagram uit te zetten voor een bolvormige of open sterrenhoop, kunnen astronomen de ouderdom van de sterrenhoop schatten vanwaar sterren de hoofdreeks lijken uit te schakelen (zie het artikel over de hoofdreeks voor hoe dit werkt).