Hvad er hydrostatisk ligevægt?

Et volumen af væske, der kan være en gas eller en væske, siges at være i hydrostatisk ligevægt, når den nedadgående kraft, der udøves af tyngdekraften, er afbalanceret af en opadgående kraft, der udøves af væskens tryk.For eksempel trækkes jordens atmosfære nedad af tyngdekraften, men mod overfladen komprimeres luften af vægten af al luften ovenfor, så luftens densitet øges fra toppen af atmosfæren til jordoverfladen.Denne densitetsforskel betyder, at lufttrykket falder med højden, så det opadgående tryk nedenfra er større end det nedadgående tryk ovenfra, og dette netto opadgående kraft afbalancerer den nedadgående tyngdekraft, hvilket holder atmosfæren i en mere eller mindre konstant højde.Når et volumen ikke er i hydrostatisk ligevægt, skal den sammentrække, hvis gravitationskraften overstiger trykket eller udvides, hvis det indre tryk er større.

Dette koncept kan udtrykkes som den hydrostatiske ligevægtsligning.Det er normalt angivet som dp/dz ' −gρ og gælder for et lag væske inden for et større volumen i hydrostatisk ligevægt, hvor dp er ændringen i trykket i laget, dz er tykkelsen af laget, g er accelerationen på grund aftil tyngdekraften og ρ er væskens densitet.Ligningen kan bruges til at beregne for eksempel presset inden for en planetarisk atmosfære i en given højde over overfladen.

Et volumen gas i rummet, såsom en stor sky af brint, vil oprindeligt sammentrække på grund af tyngdekraften, medDets pres stiger mod centrum.Sammentrækningen fortsætter, indtil der er en ydre kraft, der er lig med den indre gravitationskraft.Dette er normalt det punkt, hvor presset i midten er så stort, at brintkernen smelter sammen for at producere helium i en proces kaldet nuklear fusion, der frigiver enorme mængder energi, der føder en stjerne.Den resulterende varme øger gasens tryk og producerer en ydre kraft til at afbalancere den indre gravitationskraft, så stjernen vil være i hydrostatisk ligevægt.I tilfælde af, at tyngdekraften stiger, måske gennem mere gas, der falder ind i stjernen, vil densiteten og temperaturen på gassen også stige, hvilket giver mere udadgående tryk og opretholder ligevægten.

Stjerner forbliver i hydrostatisk ligevægt over lange perioder, typisk flere milliarderår, men til sidst vil de løbe tør for brint og begynde at smelte sammen med gradvist tungere elementer.Disse ændringer sætter midlertidigt stjernen ud af ligevægt, hvilket forårsager ekspansion eller sammentrækning, indtil der er etableret en ny ligevægt.Jern kan ikke smeltes sammen i tungere elementer, da dette ville kræve mere energi, end processen ville producere, så når al stjernens nukleare brændstof til sidst er omdannet til jern, kan der ikke finde sted yderligere fusion, og stjernen kollapser.Dette kan efterlade en fast jernkerne, en neutronstjerne eller et sort hul, afhængigt af stjernes masse.I tilfælde af et sort hul kan ingen kendt fysisk proces generere tilstrækkeligt internt pres til at stoppe gravitationskollaps, så hydrostatisk ligevægt kan ikke opnås, og det menes, at stjernen kontrakter til et punkt med uendelig densitet kendt som en singularitet.