Equilibrio hidrostático e interiores estelares

En una estrella estable, cada capa se mantiene mediante un gradiente de presión que equilibra exactamente la atracción gravitatoria hacia adentro, una condición llamada equilibrio hidrostático que establece toda la estructura interna.

Definition

El equilibrio hidrostático es el estado en el que la fuerza del gradiente de presión hacia afuera en una estrella equilibra exactamente la gravedad en cada radio, de modo que la presión aumenta suavemente desde la superficie hasta el centro.

Scope

El tema abarca la ecuación de equilibrio hidrostático y su ecuación de continuidad de masa complementaria, la ecuación de estado que relaciona la presión con la densidad y la temperatura para gases ideales, radiación y materia degenerada, el teorema del virial que vincula la energía gravitatoria y térmica, y modelos interiores simples como los politropos.

Core questions

• ¿Qué equilibra la gravedad dentro de una estrella estable?
• ¿Cómo depende la presión de la densidad y la temperatura en la materia estelar?
• ¿Qué dice el teorema del virial sobre el presupuesto energético de una estrella?
• ¿Por qué una estrella en contracción se calienta en lugar de enfriarse?

Key concepts

• gradiente de presión
• continuidad de masa
• ecuación de estado
• teorema del virial
• politropo
• presión central

Key theories

Equilibrio hidrostático

El gradiente de presión en cada radio es igual al peso local por unidad de volumen del material superpuesto, de modo que la presión aumenta hacia adentro; combinado con la continuidad de masa, esto fija la estructura mecánica de una estrella una vez que se especifica la ecuación de estado.

Teorema del virial para gases autogravitantes

Para una estrella en equilibrio, la energía interna total está relacionada con la energía potencial gravitatoria por una relación fija, de modo que la contracción gravitatoria libera energía que en parte calienta el gas, lo que confiere a las estrellas una capacidad calorífica efectivamente negativa.

Mechanisms

La gravedad atrae cada capa de gas hacia adentro; el gas responde comprimiéndose hasta que la presión debajo de cada capa excede la que está por encima lo suficiente como para soportar su peso. Si el equilibrio se altera, la estrella se ajusta en una escala de tiempo dinámica, y la contracción lenta convierte la energía gravitatoria en calor, elevando la temperatura central.

Clinical relevance

El equilibrio hidrostático es la suposición fundamental de esencialmente todos los modelos estelares; las desviaciones de este señalan pulsaciones, colapsos o explosiones, lo que lo convierte en el estado de referencia contra el cual se entienden las inestabilidades estelares y las supernovas.

History

Lane y Emden desarrollaron modelos politrópicos de esferas de gas autogravitantes a finales del siglo XIX y principios del XX, y Eddington y Chandrasekhar establecieron el marco moderno de los interiores estelares gaseosos e hidrostáticos en las décadas de 1920 y 1930.

Key figures

• Arthur Eddington
• Subrahmanyan Chandrasekhar
• Jonathan Homer Lane
• Robert Emden

Seminal works

• kippenhahn2012
• chandrasekhar1939

Frequently asked questions

¿Por qué una estrella no colapsa simplemente bajo su propia gravedad?

El gas dentro de una estrella es lo suficientemente caliente y denso como para que su presión aumente bruscamente hacia el centro, produciendo una fuerza hacia afuera que equilibra la gravedad en cada capa; el colapso solo ocurre cuando este soporte de presión falla, como en un núcleo estelar al final de su vida.

¿Por qué una estrella se calienta cuando se contrae?

Según el teorema del virial, cuando un gas autogravitante se contrae, libera energía gravitatoria, y aproximadamente la mitad de esa energía se destina a elevar la temperatura interna en lugar de irradiarse, por lo que la contracción gravitatoria hace que las estrellas se calienten.