静水圧平衡とは何ですか？

重力によって作用する下向きの力が、流体の圧力によって作用する上向きの力と釣り合うとき、気体または液体であり得る流体の体積は静水圧平衡状態にあると言われる。 たとえば、地球の大気は重力によって下向きに引っ張られますが、表面に向かって空気は上のすべての空気の重量によって圧縮されるため、大気の密度は大気の上部から地球の表面に向かって増加します。 この密度差は、下から上向きの圧力が上から下向きの圧力よりも大きくなるように、空気圧が高度とともに低下することを意味し、この正味の上向きの力は重力の下向きの力と釣り合い、大気をほぼ一定の高さに保ちます。 流体の体積が静水圧平衡状態にない場合、重力が圧力を超えると収縮し、内部圧力が大きいと膨張する必要があります。

この概念は、静水圧平衡方程式として表現できます。 通常、dp / dz = −gρと表記され、静水圧平衡状態のより大きな体積内の流体の層に適用されます。dpは層内の圧力の変化、dzは層の厚さ、gは加速度です。重力とρは流体の密度です。 方程式を使用して、たとえば、表面上の特定の高さでの惑星大気内の圧力を計算できます。

大きな水素雲などの空間内の気体の体積は、重力により最初は収縮し、中心に向かって圧力が増加します。 収縮は、内向きの重力に等しい外向きの力が現れるまで続きます。 これは通常、中心の圧力が非常に大きいため、水素核が融合して核融合と呼ばれるプロセスでヘリウムを生成し、大量のエネルギーを放出して星を生むポイントです。 その結果生じる熱はガスの圧力を増加させ、内向きの重力と釣り合う外向きの力を生み出し、星は静水圧平衡状態になります。 重力が増加した場合、おそらくより多くのガスが星に落ちることにより、ガスの密度と温度も増加し、より多くの外圧と平衡が維持されます。

星は、通常数十億年という長期間にわたって静水圧平衡状態を保ちますが、最終的には水素がなくなり、次第に重元素が融合し始めます。 これらの変化は一時的に星を平衡から外し、新しい平衡が確立されるまで膨張または収縮を引き起こします。 鉄はより重い元素に融合することはできません。これはプロセスが生み出すよりも多くのエネルギーを必要とするため、星の核燃料が最終的に鉄に変わると、それ以上の融合は起こらず、星は崩壊します。 これにより、星の質量に応じて、固体の鉄心、中性子星、またはブラックホールが残る場合があります。 ブラックホールの場合、既知の物理プロセスでは重力崩壊を停止するのに十分な内圧を生成できないため、静水圧平衡は達成できず、星は特異点として知られる無限密度の点まで収縮すると考えられています。