Co je hydrostatická rovnováha?
Objem tekutiny, který může být plyn nebo kapalina, se říká, že je v hydrostatické rovnováze, když je síla dolů vyvíjená gravitací vyvážena vzestupnou silou vyvíjenou tlakem tekutiny. Například zemská atmosféra je tažena dolů gravitací, ale směrem k povrchu je vzduch stlačen hmotností veškerého vzduchu výše, takže hustota vzduchu se zvyšuje z horní části atmosféry na zemský povrch. Tento rozdíl hustoty znamená, že tlak vzduchu s výškou snižuje tak, aby tlak nahoru zespodu byl větší než tlak dolů shora a tato síť vzhůru vyrovnává sílu gravitace dolů, což udržuje atmosféru ve více či méně konstantní výšce. Pokud objem tekutiny není v hydrostatické rovnováze, musí se stahovat, pokud gravitační síla překročí tlak, nebo se rozšíří, pokud je vnitřní tlak větší.
Tento koncept lze vyjádřit jako hydrostatická rovnovážná rovnice. Obvykle se uvádí jako dp/dz = −gρ a vztahuje se na vrstvu tekutiny ve větším objemu v hydrostatické rovnováze, kde DP je změnou tlaku ve vrstvě, DZ je tloušťka vrstvy, G je zrychlení v důsledku gravitace a ρ je hustota tekutiny. Rovnice lze použít k výpočtu například tlaku v planetární atmosféře v dané výšce nad povrchem.
Objem plynu v prostoru, jako je velký oblak vodíku, se zpočátku stane kvůli gravitaci, přičemž jeho tlak se zvyšuje směrem ke středu. Kontrakce bude pokračovat, dokud nebude vnější síla rovnající se vnitřní gravitační síle. To je obvykle okamžik, kdy je tlak ve středu tak velký, že se vodíková jádra spojují dohromady, aby se vytvořily helium v procesu zvaném jaderná fúze, která uvolňuje obrovské množství energie a porodí hvězdu. Výsledné teplo zvyšuje tlakplyn, produkující vnější sílu k vyvážení vnitřní gravitační síly, takže hvězda bude v hydrostatické rovnováze. V případě, že se zvyšuje gravitace, možná více plynu padajícím do hvězdy se také zvyšuje hustota a teplota plynu, poskytne více vnější tlak a udržuje rovnováhu.
Hvězdyzůstávají v hydrostatické rovnováze po dlouhou dobu, obvykle několik miliard let, ale nakonec jim dojde vodík a začnou se spojovat postupně těžší prvky. Tyto změny dočasně vytahují hvězdu z rovnováhy a způsobují expanzi nebo kontrakci, dokud nebude stanovena nová rovnováha. Železo nelze spojit do těžších prvků, protože by to vyžadovalo více energie, než by proces produkoval, takže když se všechny jaderné palivo hvězdy nakonec přeměnily na železo, nemůže dojít k další fúzi a hvězdné se zhroutí. To by mohlo zanechat pevné železné jádro, neutronovou hvězdu nebo černou díru, v závislosti na hmotnostiHvězda. V případě černé díry nemůže žádný známý fyzický proces generovat dostatečný vnitřní tlak, aby zastavil gravitační kolaps, takže hydrostatickou rovnováhu nelze dosáhnout a předpokládá se, že hvězdná kontrakce se stahuje do bodu nekonečné hustoty známé jako singularita.