כשאסטרונומים חקרו את התכונות של קבוצות גדולות של כוכבים, הם מצאו כוכבים בשילובים רבים ושונים של נגיהות וטמפרטורה. לרובם היו תכונות שמיקמו אותם בנקודות שונות על הסדרה הראשית של דיאגרמת H-R, שיורדת באלכסון מנגיהות גבוהה וטמפרטורה גבוהה לנגיהות נמוכה וטמפרטורה נמוכה. אבל לכוכבים מסוימים היו תכונות שאינן דומות לאלה של אף כוכב בסדרה הראשית.
לחלק מהכוכבים האדומים, מסוג K ו-M, יש נגיהות גדולה בהרבה מזו של כוכבי K ו-M החלשים שבסדרה הראשית: הם מקרינים יותר אור מהכוכבים החלשים שבאותה טמפרטורה. לפי חוק סטפן-בולצמן, שטח הפנים שלהם חייב להיות גדול יותר. הרצשפרונג כינה אותם כוכבי ענק. רובם נקראים ענקים אדומים, כי האזורים החיצוניים שלהם קרים, ולכן הם נראים אדמדמים.
כוכבים אחרים בהירים אפילו מהענקים או מכוכבי O שבסדרה הראשית. יישום של חוק סטפן-בולצמן הראה שהם גדולים אפילו מהענקים, והם נקראו על-ענקים. למשל, העל-ענק האדום העצום אנטארס, בקבוצת עקרב, מגמד לגמרי את השמש. המסה של אנטארס גדולה רק פי 12 בערך מזו של השמש, אבל הוא נפוח כל כך, שהוא גדול ממנה פי 700 בערך: השמש הייתה נכנסת בתוכו כ-300 מיליון פעמים!
לכוכבים אחרים יש שילוב של טמפרטורה גבוהה ונגיהות נמוכה, שממקם אותם מתחת לסדרה הראשית בדיאגרמת H-R. כשהאסטרונומים חישבו את הגודל שלהם באותו חוק קרינה, הם הבינו שהכוכבים החלשים האלה קטנים במיוחד. הם נקראו ננסים לבנים. ננס לבן במסה של השמש קטן ממנה פי מאה בערך, ולכן מיליון ננסים לבנים היו נכנסים בתוך השמש. ואם נשלב את שתי ההשוואות האחרונות, בתוך על-ענק אדום היו נכנסים מאות טריליונים של ננסים לבנים! טווח הגדלים של כוכבים עצום.
הרצשפרונג, ראסל וממשיכיהם הראו את התכונות השיטתיות של סוגים שונים של כוכבים: סוג אחד הוא הסדרה הראשית, והענקים, העל-ענקים והננסים הלבנים הם סוגים שונים בבירור. הסוגים האלה מתייחסים ל"סוג הנגיהות" של הכוכב. הסדרה הראשית – הכוכבים שתכונותיהם ממקמות אותם על האלכסון בדיאגרמת H-R – היא קבוצת הכוכבים שהופכים מימן להליום, ובהם השמש. מחצית מהכוכבים הבולטים ביותר בשמיים הם ענקים או על-ענקים: אף ש"הלווייתנים בין הדגים" נדירים, הם רבים בין הכוכבים המוכרים לנו. השילוב של הגודל והנגיהות שלהם מלמד שמנגנון הפקת האנרגיה שלהם שונה מזה של השמש ושל שאר כוכבי הסדרה הראשית. מחקרים נוספים הראו שהקבוצות האלה מופיעות בכל רחבי השמיים ובמרחקים רבים מהשמש, ולכן אפשר היה לחפש תהליכים פיזיקליים אוניברסליים שיסבירו את הכוכבים השונים שמחוץ לסדרה הראשית.
מדי פעם אסטרונומים מוצאים קבוצות של כוכבים שנמצאים בערך באותו מרחק מאיתנו ונוצרו בערך באותו זמן. צבירי הכוכבים האלה הם, כביכול, דיאגרמות H-R חיות בשמיים: רק מתוך הצבעים והבהירויות של הכוכבים בצביר, אסטרונומים יכולים לראות את הדפוס של דיאגרמת H-R. רוב הכוכבים נמצאים על הסדרה הראשית; הבהירים ביותר הם לבנים-כחלחלים, והחלשים ביותר אדומים.
דיאגרמת H-R מציגה רק טמפרטורה ונגיהות. אבל בעזרת חוק סטפן-בולצמן אפשר לחשב את הרדיוס של כוכב, ולהציג גם אותו בדיאגרמה. הרעיון החשוב הוא זה: כל נקודה בדיאגרמת H-R מתאימה לכוכב ברדיוס מסוים. ההיגיון אמור להיות מוכר: כל נקודה בדיאגרמה מתאימה לטמפרטורה מסוימת T, ולפי חוק סטפן-בולצמן, כל משטח בטמפרטורה T מקרין כמות מסוימת של אנרגיה מכל מטר רבוע בכל שנייה. אבל כל נקודה בדיאגרמה מתאימה גם לנגיהות מסוימת L – כמות האנרגיה הכוללת שהכוכב מקרין בכל שנייה. הנגיהות קובעת כמה מטרים רבועים יש לכוכב, כלומר את שטח הפנים הכולל, ומכאן את הרדיוס.
לכוכבים בדיאגרמת H-R יש טווח עצום של תכונות פיזיקליות, ולאסטרונומים יש בעיה מעשית: כוכבים באותו צבע יכולים להיות שונים מאוד בתכונות האחרות שלהם. כדי לראות זאת, חשבו על כוכבים בעלי נגיהויות שונות ואותה טמפרטורת פני שטח (כוכבים שנמצאים זה מעל זה בדיאגרמה). שני הענקים בכוכב הכפול קפלה, למשל, דומים בצבעם לשמש, אבל גדולים ממנה פי 9–12. בטלג'וז גדול מפרוקסימה קנטאורי פי 5,000 בערך, ושניהם אדמדמים. בשנים 2019–2020 בטלג'וז התעמעם פתאום ובאופן דרמטי, ועורר השערות שהוא עומד להתפוצץ כסופרנובה (בסוף התברר שהעמעום נגרם בעיקר מענן אבק שהכוכב פלט). האם אפשר להבחין בין כוכב סדרה ראשית, ענק ועל-ענק באותו צבע בלי לדעת את המרחקים? כן. האטמוספירה הדלילה יותר של הכוכבים הגדולים גורמת לפחות התנגשויות בין אטומים, ולכן לקווי בליעה צרים יותר. הספקטרוסקופיה יכולה להספיק כדי לקבוע את סוג הנגיהות של כוכב (סדרה ראשית, ענק או על-ענק), וכך אפשר להעריך את המרחק אליו, גם כשאי אפשר למדוד פרלקסה. אבל הסימנים הספקטרליים מעידים רק על השכבות החיצוניות של הכוכב, ולכן הם עקיפים; ההבדלים העיקריים בין סוגי הכוכבים האלה נובעים מהמסות שלהם ומהמנגנונים שבהם הם מפיקים אנרגיה.
→ הסעיף הקודם: 12.21 מדגם לפי נפח ומדגם לפי בהירות | הסעיף הבא: 12.23 להבין את הסדרה הראשית ←