정역학적 평형과 항성 내부

안정된 별의 모든 층은 중력의 내부 당김과 정확히 균형을 이루는 압력 기울기에 의해 지지되며, 이 정역학적 평형 상태는 전체 내부 구조를 결정합니다.

Definition

정역학적 평형은 별 내부의 모든 반경에서 외부 압력-기울기 힘이 중력과 정확히 균형을 이루어, 압력이 표면에서 중심까지 부드럽게 증가하는 상태를 말합니다.

Scope

이 주제는 정역학적 평형 방정식과 그에 수반되는 질량 연속 방정식, 이상 기체, 복사 및 퇴화 물질에 대한 압력과 밀도 및 온도를 연결하는 상태 방정식, 중력 에너지와 열 에너지를 연결하는 비리얼 정리, 그리고 폴리트로프와 같은 간단한 내부 모델을 다룹니다.

Core questions

• 안정된 별 내부에서 중력과 균형을 이루는 것은 무엇입니까?
• 항성 물질에서 압력은 밀도와 온도에 어떻게 의존합니까?
• 비리얼 정리는 별의 에너지 예산에 대해 무엇을 말해줍니까?
• 수축하는 별은 왜 식지 않고 뜨거워집니까?

Key concepts

• 압력 기울기
• 질량 연속성
• 상태 방정식
• 비리얼 정리
• 폴리트로프
• 중심 압력

Key theories

정역학적 평형

각 반경에서의 압력 기울기는 위에 놓인 물질의 단위 부피당 국부적인 무게와 같아서 압력이 안쪽으로 증가합니다. 이는 질량 연속성과 결합하여 상태 방정식이 지정되면 별의 역학적 구조를 고정합니다.

자가 중력 가스에 대한 비리얼 정리

평형 상태에 있는 별의 경우, 총 내부 에너지는 중력 위치 에너지와 고정된 비율로 관련되어 있습니다. 따라서 중력 수축은 에너지를 방출하며, 이 에너지의 절반 가량은 복사되지 않고 가스를 가열하는 데 사용되어 별에 효과적으로 음의 열용량을 부여합니다.

Mechanisms

중력은 모든 가스 껍질을 안쪽으로 당깁니다. 가스는 각 껍질 아래의 압력이 그 위보다 무게를 지탱할 만큼 충분히 초과할 때까지 압축하여 반응합니다. 평형이 교란되면 별은 동역학적 시간 척도에 따라 조절되며, 느린 수축은 중력 에너지를 열로 전환하여 중심 온도를 높입니다.

Clinical relevance

정역학적 평형은 거의 모든 항성 모델의 기본적인 가정입니다. 이로부터의 이탈은 맥동, 붕괴 또는 폭발을 나타내며, 이는 항성 불안정성과 초신성을 이해하는 기준 상태가 됩니다.

History

레인(Lane)과 엠덴(Emden)은 19세기 후반과 20세기 초반에 자가 중력 가스 구체의 폴리트로프 모델을 개발했으며, 에딩턴(Eddington)과 찬드라세카르(Chandrasekhar)는 1920년대와 1930년대에 정역학적, 기체 항성 내부의 현대적 틀을 확립했습니다.

Key figures

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

Seminal works

• kippenhahn2012
• chandrasekhar1939

Frequently asked questions

별은 왜 단순히 자체 중력으로 붕괴하지 않습니까?

별 내부의 가스는 뜨겁고 밀도가 높아서 중심을 향해 압력이 급격히 증가하며, 이는 모든 층에서 중력과 균형을 이루는 외부 힘을 생성합니다. 이 압력 지지력이 실패할 때만, 예를 들어 수명 말기의 항성 핵에서처럼 붕괴가 발생합니다.

별은 왜 수축할 때 뜨거워집니까?

비리얼 정리에 따르면, 자가 중력 가스가 수축할 때 중력 에너지를 방출하며, 이 에너지의 약 절반은 복사되지 않고 내부 온도를 높이는 데 사용되므로, 중력 수축은 별을 더 뜨겁게 만듭니다.