الاتزان الهيدروستاتيكي والتراكيب النجمية الداخلية
في النجم المستقر، تُدعم كل طبقة بتدرج ضغط يوازن تمامًا قوة الجاذبية الداخلية، وهي حالة تسمى الاتزان الهيدروستاتيكي الذي يحدد البنية الداخلية بأكملها.
Definition
الاتزان الهيدروستاتيكي هو الحالة التي تتوازن فيها قوة تدرج الضغط الخارجية في النجم تمامًا مع الجاذبية عند كل نصف قطر، بحيث يرتفع الضغط بسلاسة من السطح إلى المركز.
Scope
يغطي الموضوع معادلة الاتزان الهيدروستاتيكي ومعادلة استمرارية الكتلة المصاحبة لها، ومعادلة الحالة التي تربط الضغط بالكثافة ودرجة الحرارة للغاز المثالي، والإشعاع، والمادة المتحللة، ونظرية فيريال التي تربط الطاقة الجاذبية والطاقة الحرارية، والنماذج الداخلية البسيطة مثل متعددات الانضغاط (polytropes).
Core questions
- ما الذي يوازن الجاذبية داخل نجم مستقر؟
- كيف يعتمد الضغط على الكثافة ودرجة الحرارة في المادة النجمية؟
- ماذا تقول نظرية فيريال عن ميزانية طاقة النجم؟
- لماذا يسخن النجم المنكمش بدلاً من أن يبرد؟
Key concepts
- تدرج الضغط
- استمرارية الكتلة
- معادلة الحالة
- نظرية فيريال
- متعدد الانضغاط
- الضغط المركزي
Key theories
- الاتزان الهيدروستاتيكي
- يساوي تدرج الضغط عند كل نصف قطر الوزن المحلي لكل وحدة حجم من المادة العلوية، بحيث يزداد الضغط نحو الداخل؛ وبالاقتران مع استمرارية الكتلة، يحدد هذا البنية الميكانيكية للنجم بمجرد تحديد معادلة الحالة.
- نظرية فيريال للغاز ذي الجاذبية الذاتية
- بالنسبة لنجم في حالة اتزان، ترتبط الطاقة الداخلية الكلية بطاقة الجاذبية الكامنة بنسبة ثابتة، بحيث يؤدي الانكماش الجاذبي إلى إطلاق طاقة يسخن جزء منها الغاز، مما يمنح النجوم سعة حرارية سالبة فعالة.
Mechanisms
تسحب الجاذبية كل قشرة غازية إلى الداخل؛ يستجيب الغاز بالانضغاط حتى يتجاوز الضغط أسفل كل قشرة الضغط فوقها بما يكفي لدعم وزنها. إذا اضطرب الاتزان، يتكيف النجم على مقياس زمني ديناميكي، ويحول الانكماش البطيء الطاقة الجاذبية إلى حرارة، مما يرفع درجة الحرارة المركزية.
Clinical relevance
الاتزان الهيدروستاتيكي هو الافتراض الأساسي لجميع النماذج النجمية تقريبًا؛ وتشير الانحرافات عنه إلى النبض، أو الانهيار، أو الانفجار، مما يجعله الحالة المرجعية التي تُفهم من خلالها حالات عدم الاستقرار النجمية والمستعرات العظمى.
History
طور لين وإمدن نماذج متعددة الانضغاط (polytropic models) لكرويات الغاز ذات الجاذبية الذاتية في أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين، وأسس إدينغتون وتشاندراسيخار الإطار الحديث للتراكيب النجمية الداخلية الغازية الهيدروستاتيكية في عشرينيات وثلاثينيات القرن الماضي.
Key figures
- Arthur Eddington
- Subrahmanyan Chandrasekhar
- Jonathan Homer Lane
- Robert Emden
Related topics
Seminal works
- kippenhahn2012
- chandrasekhar1939
Frequently asked questions
- لماذا لا ينهار النجم ببساطة تحت تأثير جاذبيته الخاصة؟
- الغاز داخل النجم ساخن وكثيف بما يكفي ليرتفع ضغطه بشكل حاد نحو المركز، مما ينتج قوة خارجية توازن الجاذبية في كل طبقة؛ ولا يحدث الانهيار إلا عندما يفشل هذا الدعم بالضغط، كما هو الحال في قلب نجم في نهاية حياته.
- لماذا يسخن النجم عندما ينكمش؟
- وفقًا لنظرية فيريال، عندما ينكمش غاز ذو جاذبية ذاتية، فإنه يطلق طاقة جاذبية، ويذهب ما يقرب من نصف تلك الطاقة إلى رفع درجة الحرارة الداخلية بدلاً من الإشعاع بعيدًا، لذا فإن الانكماش الجاذبي يجعل النجوم أكثر سخونة.