Hva er hydrostatisk likevekt?

Et volum av væske, som kan være en gass eller en væske, sies å være i hydrostatisk likevekt når den nedadgående kraften som utøves av tyngdekraften blir balansert av en oppadgående kraft som utøves av væskens trykk. For eksempel trekkes jordens atmosfære nedover av tyngdekraften, men mot overflaten komprimeres luften av vekten av all luften over, slik at luftens tetthet øker fra toppen av atmosfæren til jordens overflate. Denne tetthetsforskjellen betyr at lufttrykket avtar med høyden slik at oppadgående trykk nedenfra er større enn nedadgående trykk ovenfra, og dette nettet oppover kraften balanserer den nedadgående tyngdekraften, og holder atmosfæren i en mer eller mindre konstant høyde. Når et væskevolum ikke er i hydrostatisk likevekt, må det trekke seg sammen hvis gravitasjonskraften overstiger trykket, eller utvides hvis det indre trykket er større.

Dette konseptet kan uttrykkes som den hydrostatiske likevektsligningen. Det er vanligvis oppgitt som DP/DZ = −gρ og gjelder et lag med væske i et større volum i hydrostatisk likevekt, hvor DP er endringen i trykk i laget, DZ er tykkelsen på laget, G er akselerasjonen på grunn av 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 verdensrommet, for eksempel en stor sky av hydrogen, vil i utgangspunktet trekke seg sammen på grunn av tyngdekraften, med trykket økt mot sentrum. Sammentrekningen vil fortsette til det er en ytre kraft som lik den innvendige gravitasjonskraften. Dette er normalt poenget når trykket i sentrum er så stort at hydrogenkjernene smelter sammen for å produsere helium i en prosess som kalles kjernefusjon som frigjør enorme mengder energi, og fødte en stjerne. Den resulterende varmen øker trykket påGassen, som produserer en ytre kraft for å balansere den innvendige gravitasjonskraften, slik at stjernen skal være i hydrostatisk likevekt. I tilfelle tyngdekraften øker, kanskje gjennom mer gass som faller inn i stjernen, vil tettheten og temperaturen på gassen også øke, og gi mer ytre trykk og opprettholde likevekten.

stjerner forblir i hydrostatisk likevekt over lengre perioder, typisk flere milliarder år, men etter hvert vil de gå tom for hydrogen og begynne å smelte gradvis tyngre elementer. Disse endringene setter stjernen midlertidig ut av likevekt, noe som forårsaker utvidelse eller sammentrekning til en ny likevekt er etablert. Jern kan ikke smeltes sammen til tyngre elementer, da dette vil kreve mer energi enn prosessen ville gi, så når alt stjernens kjernefysiske drivstoff til slutt har forvandlet seg 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 massen avstjernen. Når det gjelder et svart hull, kan ingen kjent fysisk prosess generere tilstrekkelig internt trykk for å stoppe gravitasjonskollaps, så hydrostatisk likevekt ikke kan oppnås og det antas at stjernen trekker seg sammen til et uendelig tetthet kjent som en singularitet.