สมดุลอุทกสถิตและโครงสร้างภายในดาวฤกษ์
ในดาวฤกษ์ที่เสถียร ทุกชั้นของดาวจะถูกพยุงไว้ด้วยการไล่ระดับความดันที่สมดุลอย่างแม่นยำกับแรงดึงดูดของแรงโน้มถ่วง ซึ่งเป็นภาวะที่เรียกว่าสมดุลอุทกสถิต ซึ่งกำหนดโครงสร้างภายในทั้งหมดของดาว
Definition
สมดุลอุทกสถิตคือสภาวะที่แรงไล่ระดับความดันขาออกในดาวฤกษ์สมดุลอย่างแม่นยำกับแรงโน้มถ่วงที่ทุกรัศมี ทำให้ความดันเพิ่มขึ้นอย่างราบรื่นจากพื้นผิวไปยังศูนย์กลาง
Scope
หัวข้อนี้ครอบคลุมสมการสมดุลอุทกสถิตและสมการความต่อเนื่องของมวลที่เกี่ยวข้อง สมการสถานะที่เชื่อมโยงความดันกับความหนาแน่นและอุณหภูมิสำหรับก๊าซอุดมคติ การแผ่รังสี และสสารดีเจนเนอเรต ทฤษฎีบทวิเรียลที่เชื่อมโยงพลังงานโน้มถ่วงและพลังงานความร้อน และแบบจำลองโครงสร้างภายในอย่างง่าย เช่น โพลีโทรป
Core questions
- อะไรที่สมดุลกับแรงโน้มถ่วงภายในดาวฤกษ์ที่เสถียร?
- ความดันขึ้นอยู่กับความหนาแน่นและอุณหภูมิในสสารดาวฤกษ์อย่างไร?
- ทฤษฎีบทวิเรียลกล่าวถึงงบประมาณพลังงานของดาวฤกษ์อย่างไร?
- ทำไมดาวฤกษ์ที่กำลังหดตัวถึงร้อนขึ้นแทนที่จะเย็นลง?
Key concepts
- การไล่ระดับความดัน
- ความต่อเนื่องของมวล
- สมการสถานะ
- ทฤษฎีบทวิเรียล
- โพลีโทรป
- ความดันแกนกลาง
Key theories
- สมดุลอุทกสถิต
- การไล่ระดับความดันที่แต่ละรัศมีเท่ากับน้ำหนักต่อหน่วยปริมาตรของสสารที่อยู่เหนือขึ้นไปในท้องถิ่น ทำให้ความดันเพิ่มขึ้นเข้าสู่ด้านใน เมื่อรวมกับความต่อเนื่องของมวล สิ่งนี้จะกำหนดโครงสร้างทางกลของดาวฤกษ์เมื่อระบุสมการสถานะแล้ว
- ทฤษฎีบทวิเรียลสำหรับก๊าซที่ดึงดูดตัวเองด้วยแรงโน้มถ่วง
- สำหรับดาวฤกษ์ที่อยู่ในสมดุล พลังงานภายในทั้งหมดมีความสัมพันธ์กับพลังงานศักย์โน้มถ่วงด้วยอัตราส่วนคงที่ ดังนั้นการหดตัวด้วยแรงโน้มถ่วงจะปลดปล่อยพลังงาน ซึ่งส่วนหนึ่งจะทำให้ก๊าซร้อนขึ้น ทำให้ดาวฤกษ์มีคุณสมบัติเป็นความจุความร้อนติดลบโดยปริยาย
Mechanisms
แรงโน้มถ่วงดึงเปลือกก๊าซทุกชั้นเข้าด้านใน ก๊าซจะตอบสนองโดยการบีบอัดจนกระทั่งความดันใต้เปลือกแต่ละชั้นเกินกว่าความดันเหนือชั้นนั้นเพียงพอที่จะพยุงน้ำหนักของมัน หากสมดุลถูกรบกวน ดาวจะปรับตัวในเวลาแบบพลวัต และการหดตัวอย่างช้าๆ จะเปลี่ยนพลังงานโน้มถ่วงเป็นความร้อน ทำให้แกนกลางมีอุณหภูมิสูงขึ้น
Clinical relevance
สมดุลอุทกสถิตเป็นข้อสมมติฐานพื้นฐานของแบบจำลองดาวฤกษ์เกือบทั้งหมด การเบี่ยงเบนจากสมดุลนี้บ่งชี้ถึงการเต้นเป็นจังหวะ การยุบตัว หรือการระเบิด ทำให้เป็นสภาวะอ้างอิงที่ใช้ทำความเข้าใจความไม่เสถียรของดาวฤกษ์และซูเปอร์โนวา
History
เลนและเอ็มเดนได้พัฒนาแบบจำลองโพลีโทรปของทรงกลมก๊าซที่ดึงดูดตัวเองด้วยแรงโน้มถ่วงในช่วงปลายศตวรรษที่สิบเก้าและต้นศตวรรษที่ยี่สิบ และเอ็ดดิงตันและจันทราเสกขระได้วางกรอบแนวคิดสมัยใหม่ของโครงสร้างภายในดาวฤกษ์ที่เป็นก๊าซและอยู่ในสมดุลอุทกสถิตในช่วงทศวรรษ 1920 และ 1930
Key figures
- Arthur Eddington
- Subrahmanyan Chandrasekhar
- Jonathan Homer Lane
- Robert Emden
Related topics
Seminal works
- kippenhahn2012
- chandrasekhar1939
Frequently asked questions
- ทำไมดาวฤกษ์จึงไม่ยุบตัวลงภายใต้แรงโน้มถ่วงของตัวเอง?
- ก๊าซภายในดาวฤกษ์มีความร้อนและหนาแน่นเพียงพอที่ความดันจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเข้าสู่ศูนย์กลาง ทำให้เกิดแรงผลักออกด้านนอกที่สมดุลกับแรงโน้มถ่วงในทุกชั้น การยุบตัวจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อการพยุงด้วยความดันนี้ล้มเหลว เช่น ในแกนกลางของดาวฤกษ์เมื่อสิ้นสุดอายุขัย
- ทำไมดาวฤกษ์ถึงร้อนขึ้นเมื่อมันหดตัว?
- ตามทฤษฎีบทวิเรียล เมื่อก๊าซที่ดึงดูดตัวเองด้วยแรงโน้มถ่วงหดตัว มันจะปลดปล่อยพลังงานโน้มถ่วงออกมา และประมาณครึ่งหนึ่งของพลังงานนั้นจะถูกใช้ในการเพิ่มอุณหภูมิภายใน แทนที่จะแผ่รังสีออกไป ดังนั้นการหดตัวด้วยแรงโน้มถ่วงจึงทำให้ดาวฤกษ์ร้อนขึ้น