相圖，本質是一種參數空間分布圖。它是研究物態的重要工具。如我們所熟知的，通過水的相圖，可以區分水的不同狀態（圖1）。由於可以控制實驗條件，所以可以將壓強和溫度構成的參數空間填滿，使得相圖的各個部分看起來都是連續的。
圖1. 水的相圖（圖片源自網絡）
科學家對天體性質的探索，也和對物質性質的探索一樣，是在探索天體在參數空間中的分布，這本質上就是在繪製天體的「相圖」。
天文學中最著名的相圖應該是恆星的顏色-星等圖，即所謂赫羅圖（圖2是Gaia衛星給出的赫羅圖）。從赫羅圖上的恆星分布我們知道了大部分恆星位於一條主序帶上，還有一些恆星離開了主序，分布在紅巨星分支、水平分支等位置。從這些位置的恆星數量我們可以大致估計恆星待在這些位置的時間長度的比例。因為主序上恆星數量眾多，根據「數量比」我們知道恆星大部分時間待在主序上。也就是說，恆星的光度和溫度基本恆定，這也是「恆」的其中一層意思。
早前，人類觀測到的恆星較少時，赫羅圖上的一些結構不太明顯，比如白矮星序列。而在Gaia發布的赫羅圖中，白矮星序列已經非常明顯了。
圖2. Gaia衛星發布的赫羅圖（圖片源自Gaia衛星）
恆星還有其他物理量，所以也可以有其他相圖，比如質量-半徑圖。
質量-半徑圖是研究緻密星物態的重要工具（圖3）。白矮星和中子星是兩種緻密星，在質量差不多的情況下，中子星的半徑大約比白矮星小一千倍。這兩種緻密星的特點都是質量越大半徑越小，一個推論就是，這兩種緻密星都有質量上限，當質量增大到某個值，引力就太強了，它們必然會塌縮。
圖3. 緻密星的質量半徑關係（圖片源自Steiner et al. 2013, ApJ, 765, L5）
超過質量極限的白矮星有可能變成中子星，而根據現在的理論，超過質量極限的中子星只能塌縮成黑洞。也有理論認為，緻密星中有一些是夸克星。這種星的質量-半徑關係和中子星不同，所以在圖3中佔據了不同的區域。未來的觀測或許會發現這個區域的天體，那樣就能證實夸克星的理論了。
中子星中有一部分是脈衝星，這是一種快速轉動並且從兩極發出射電輻射的中子星。脈衝星有兩個重要物理量，一個是周期，另一個是周期的變化率。周期-周期變化率圖就是脈衝星的相圖。
圖4. 脈衝星的周期-周期變化率圖（圖片源自NRAO）
從圖4中可以區分出通常的脈衝星、毫秒脈衝星和磁場特別強的磁星。
和恆星一樣，行星、衛星和矮星系也是有明確定義的天體，質量-半徑圖也可以用作這些天體的相圖，從質量-半徑圖可以區分類地行星和類木行星。不過現在對系外行星的測量還沒有太陽系行星那麼精確。
對於行星，還有一種有用的相圖，就是行星圍繞的恆星的溫度和行星距離恆星的距離組成的相圖，從這種圖上可以看出什麼範圍的行星表面是否可能有液體水，這個範圍就是所謂宜居帶（圖5）。
圖5. 系外行星系統的宜居帶（圖片源自Chester Haiman）
宇宙中的其他天體沒有恆星和行星這麼明確的定義，例如分子雲、星系。相對而言，星系還有一些較好的相圖，比如用於選擇活動星系的BPT圖，這是一種發射線的線強比圖。但分子雲到目前還沒有特別好的相圖，因為分子雲是一種比較彌散的星際介質雲，沒有明確的邊界，有些物理量也測得不精確。
不過，隨著我們對天體認識越來越深入，對物理量的測量越來越精確，圖上的點越來越多，現在看來不太像相圖的那些相關關係或許有一天就會變成赫羅圖那樣的天體「相圖」。
來源：中國科學院國家天文臺