Qu'est-ce que l'équilibre hydrostatique?
Un volume de fluide, qui peut être un gaz ou un liquide, est dit en équilibre hydrostatique lorsque la force descendante exercée par la gravité est équilibrée par une force ascendante exercée par la pression du fluide. Par exemple, l’atmosphère terrestre est entraînée vers le bas par la gravité, mais vers la surface, l’air est comprimé par le poids de tout l’air au-dessus, de sorte que sa densité augmente du haut de l’atmosphère à la surface de la Terre. Cette différence de densité signifie que la pression atmosphérique diminue avec l'altitude, de sorte que la pression ascendante d'en bas est supérieure à la pression descendante d'en haut et que cette force ascendante nette équilibre la force gravitationnelle descendante, maintenant l'atmosphère à une hauteur plus ou moins constante. Lorsqu'un volume de fluide n'est pas en équilibre hydrostatique, il doit se contracter si la force de gravité dépasse la pression, ou se dilater si la pression interne est supérieure.
Ce concept peut être exprimé par l'équation d'équilibre hydrostatique. Il est généralement indiqué comme dp / dz = −gρ et s’applique à une couche de fluide dans un volume plus grand en équilibre hydrostatique, où dp est la variation de pression dans la couche, dz est l’épaisseur de la couche, g est l’accélération due à la gravité et ρ est la densité du fluide. L'équation peut être utilisée pour calculer, par exemple, la pression dans une atmosphère planétaire à une hauteur donnée au-dessus de la surface.
Un volume de gaz dans l'espace, tel qu'un grand nuage d'hydrogène, va initialement se contracter sous l'effet de la gravité, sa pression augmentant vers le centre. La contraction se poursuivra jusqu'à ce qu'il y ait une force extérieure égale à la force gravitationnelle intérieure. C'est normalement le moment où la pression au centre est si forte que les noyaux d'hydrogène fusionnent pour produire de l'hélium dans un processus appelé fusion nucléaire qui libère d'énormes quantités d'énergie, donnant naissance à une étoile. La chaleur qui en résulte augmente la pression du gaz, produisant une force extérieure pour équilibrer la force gravitationnelle intérieure, de sorte que l'étoile soit en équilibre hydrostatique. En cas d’augmentation de la gravité, peut-être du fait que davantage de gaz tombe dans l’étoile, la densité et la température du gaz augmenteront également, ce qui augmentera la pression vers l’extérieur et maintiendra l’équilibre.
Les étoiles restent en équilibre hydrostatique pendant de longues périodes, généralement plusieurs milliards d'années, mais finiront par manquer d'hydrogène et commenceront à fusionner progressivement des éléments plus lourds. Ces changements mettent temporairement l'étoile hors d'équilibre, provoquant une expansion ou une contraction jusqu'à l'établissement d'un nouvel équilibre. Le fer ne peut pas être fondu en éléments plus lourds, car cela nécessiterait plus d'énergie que le processus n'en produirait. Ainsi, lorsque tout le combustible nucléaire de l'étoile sera finalement transformé en fer, aucune fusion supplémentaire ne pourra avoir lieu et l'étoile s'effondrera. Cela pourrait laisser un noyau de fer solide, une étoile à neutrons ou un trou noir, selon la masse de l'étoile. Dans le cas d'un trou noir, aucun processus physique connu ne peut générer une pression interne suffisante pour mettre fin à l'effondrement gravitationnel. Il est donc impossible d'atteindre l'équilibre hydrostatique et on pense que l'étoile se contracte jusqu'à atteindre une densité infinie appelée singularité.