Hva er hydrostatisk likevekt?

Et fluidvolum, som kan være en gass eller en væske, sies å være i hydrostatisk likevekt når den nedadgående kraften som utøves av tyngdekraften balanseres av en oppadrettet kraft som utøves av fluidets trykk. For eksempel blir jordas atmosfære trukket nedover av tyngdekraften, men mot overflaten blir luften komprimert av vekten til all luften over, slik at luftenes tetthet øker fra toppen av atmosfæren til jordoverflaten. Denne tetthetsforskjellen betyr at lufttrykket avtar med høyden, slik at oppovertrykket nedenfra er større enn nedovertrykket ovenfra og denne netto oppadgående kraften balanserer tyngdekraften nedover, og holder atmosfæren i en mer eller mindre konstant høyde. Når et volum væske ikke er i hydrostatisk likevekt, må det trekke seg sammen hvis gravitasjonskraften overstiger trykket, eller utvide seg hvis det indre trykket er større.

Dette konseptet kan uttrykkes som den hydrostatiske likevektsligningen. Det er vanligvis oppgitt som dp / dz = −gρ og gjelder for et væskelag i et større volum i hydrostatisk likevekt, hvor dp er trykkendringen i laget, dz er lagets tykkelse, g er akselerasjonen på grunn til tyngdekraften og ρ er tettheten til væsken. Ligningen kan brukes til å beregne for eksempel trykket i en planetarisk atmosfære i en gitt høyde over overflaten.

Et volum av gass i rommet, for eksempel en stor sky av hydrogen, vil opprinnelig trekke seg sammen på grunn av tyngdekraften, og trykket øker mot sentrum. Sammentrekningen vil fortsette til det er en ytre kraft lik den innadgående gravitasjonskraften. Dette er normalt poenget når trykket i sentrum er så stort at hydrogenkjerner smelter sammen for å produsere helium i en prosess som kalles kjernefusjon som frigjør enorme mengder energi og føder en stjerne. Den resulterende varmen øker trykket på gassen, og produserer en ytre kraft for å balansere den indre gravitasjonskraften, slik at stjernen vil være i hydrostatisk likevekt. I tilfelle tyngdekraften øker, kanskje ved at mer gass faller inn i stjernen, vil tettheten og temperaturen på gassen også øke, gi mer trykk utover og opprettholde likevekten.

Stjerner forblir i hydrostatisk likevekt over lengre perioder, vanligvis flere milliarder år, men etter hvert vil de gå tom for hydrogen og begynne å smelte sammen tyngre elementer. Disse endringene setter stjernen midlertidig ut av likevekt, noe som forårsaker utvidelse eller sammentrekning inntil en ny likevekt er etablert. Jern kan ikke smeltes sammen til tyngre elementer, da dette vil kreve mer energi enn prosessen ville produsert, så når alt stjernens kjernebrensel til slutt har blitt transformert til jern, kan ingen ytterligere fusjon finne sted og stjernen kollapser. Dette kan etterlate en solid jernkjerne, en nøytronstjerne eller et svart hull, avhengig av stjernens masse. Når det gjelder et svart hull, kan ingen kjent fysisk prosess generere tilstrekkelig indre trykk for å stoppe gravitasjonskollaps, slik at hydrostatisk likevekt ikke kan oppnås og det antas at stjernen trekker seg sammen til et punkt med uendelig tetthet kjent som en singularitet.