Гидростатическое равновесие и внутреннее строение звезд

В стабильной звезде каждый слой удерживается градиентом давления, который точно уравновешивает внутреннее притяжение гравитации. Это состояние называется гидростатическим равновесием и определяет всю внутреннюю структуру звезды.

Definition

Гидростатическое равновесие — это состояние, при котором сила градиента давления, направленная наружу, в звезде точно уравновешивает гравитацию на каждом радиусе, так что давление плавно возрастает от поверхности к центру.

Scope

Тема охватывает уравнение гидростатического равновесия и сопутствующее ему уравнение неразрывности массы, уравнение состояния, связывающее давление с плотностью и температурой для идеального газа, излучения и вырожденного вещества, вириальную теорему, связывающую гравитационную и тепловую энергию, а также простые модели внутреннего строения, такие как политропы.

Core questions

• Что уравновешивает гравитацию внутри стабильной звезды?
• Как давление зависит от плотности и температуры в звездном веществе?
• Что говорит вириальная теорема об энергетическом балансе звезды?
• Почему сжимающаяся звезда нагревается, а не остывает?

Key concepts

• градиент давления
• неразрывность массы
• уравнение состояния
• вириальная теорема
• политропа
• центральное давление

Key theories

Гидростатическое равновесие

Градиент давления на каждом радиусе равен локальному весу на единицу объема вышележащего материала, так что давление увеличивается внутрь; в сочетании с неразрывностью массы это определяет механическую структуру звезды после того, как задано уравнение состояния.

Вириальная теорема для самогравитирующего газа

Для звезды в равновесии полная внутренняя энергия связана с гравитационной потенциальной энергией фиксированным соотношением, так что гравитационное сжатие высвобождает энергию, которая частично нагревает газ, придавая звездам эффективно отрицательную теплоемкость.

Mechanisms

Гравитация притягивает каждую газовую оболочку внутрь; газ реагирует сжатием до тех пор, пока давление под каждой оболочкой не превысит давление над ней ровно настолько, чтобы выдержать ее вес. Если равновесие нарушается, звезда приспосабливается в динамическом масштабе времени, а медленное сжатие преобразует гравитационную энергию в тепло, повышая центральную температуру.

Clinical relevance

Гидростатическое равновесие является фундаментальным допущением практически всех звездных моделей; отклонения от него сигнализируют о пульсации, коллапсе или взрыве, что делает его эталонным состоянием, относительно которого понимаются звездные нестабильности и сверхновые.

History

Лейн и Эмден разработали политропные модели самогравитирующих газовых сфер в конце XIX — начале XX веков, а Эддингтон и Чандрасекар заложили современную основу гидростатических, газообразных звездных недр в 1920-х и 1930-х годах.

Key figures

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

Seminal works

• kippenhahn2012
• chandrasekhar1939

Frequently asked questions

Почему звезда просто не коллапсирует под действием собственной гравитации?

Газ внутри звезды достаточно горяч и плотен, чтобы его давление резко возрастало к центру, создавая направленную наружу силу, которая уравновешивает гравитацию на каждом слое; коллапс происходит только тогда, когда эта поддержка давления ослабевает, как, например, в звездном ядре в конце его жизни.

Почему звезда нагревается при сжатии?

Согласно вириальной теореме, когда самогравитирующий газ сжимается, он высвобождает гравитационную энергию, и примерно половина этой энергии идет на повышение внутренней температуры, а не излучается, поэтому гравитационное сжатие делает звезды горячее.