Hvad er hydrostatisk ligevægt?
Et fluidvolumen, der kan være en gas eller en væske, siges at være i hydrostatisk ligevægt, når den nedadgående kraft, der udøves af tyngdekraften, afbalanceres af en opadrettet kraft, der udøves af fluidets tryk. For eksempel trækkes jordens atmosfære nedad ved hjælp af tyngdekraften, men mod overfladen komprimeres luften af vægten af al luften over, så lufttætheden øges fra toppen af atmosfæren til jordoverfladen. Denne densitetsforskel betyder, at lufttrykket falder med højden, således at det opadgående tryk nedenunder er større end det nedadgående pres ovenfra, og denne netto opadgående styrke afbalancerer tyngdekraften nedad og holder atmosfæren i en mere eller mindre konstant højde. Når en væskevolumen ikke er i hydrostatisk ligevægt, skal den sammentrækkes, hvis tyngdekraften overstiger trykket, eller ekspanderes, hvis det indre tryk er større.
Dette koncept kan udtrykkes som den hydrostatiske ligevægtsligning. Det angives normalt som dp / dz = −gρ og gælder for et væskelag inden for et større volumen i hydrostatisk ligevægt, hvor dp er ændringen i trykket i laget, dz er lagets tykkelse, g er accelerationen på grund af til tyngdekraften og ρ er densiteten af væsken. Ligningen kan bruges til at beregne for eksempel trykket i en planetarisk atmosfære i en given højde over overfladen.
Et volumen af gas i rummet, såsom en stor sky af brint, vil oprindeligt trække sammen på grund af tyngdekraften, med dens tryk stige mod midten. Sammentrækningen fortsætter, indtil der er en udadrettet kraft lig med den indadgående tyngdekraft. Dette er normalt det punkt, hvor trykket i midten er så stort, at brintkernerne smelter sammen for at producere helium i en proces, der kaldes nuklear fusion, der frigiver enorme mængder energi og føder en stjerne. Den resulterende varme øger trykket på gassen og frembringer en udadrettet kraft for at afbalancere den indadgående tyngdekraft, så stjernen vil være i hydrostatisk ligevægt. I tilfælde af at tyngdekraften øges, måske ved mere gas, der falder ned i stjernen, vil dens densitet og temperatur også stige, hvilket giver mere tryk udad og opretholder ligevægten.
Stjerner forbliver i hydrostatisk ligevægt over lange perioder, typisk flere milliarder år, men til sidst vil de løbe tør for brint og begynde at smelte gradvis tyngre elementer. Disse ændringer sætter stjernen midlertidigt ud af ligevægt, hvilket forårsager ekspansion eller sammentrækning, indtil en ny ligevægt er etableret. Jern kan ikke smeltes sammen til tungere elementer, da dette ville kræve mere energi end processen ville producere, så når alt stjernens atombrændstof til sidst er omdannet til jern, kan der ikke foretages yderligere fusion, og stjernen kollapser. Dette efterlader muligvis en solid jernkerne, en neutronstjerne eller et sort hul, afhængigt af stjernens masse. I tilfælde af et sort hul kan ingen kendt fysisk proces generere tilstrækkeligt internt tryk til at stoppe gravitations-sammenbrud, så hydrostatisk ligevægt kan ikke opnås, og det antages, at stjernen sammentrækker et punkt med uendelig tæthed kendt som en singularitet.