恆星結構與核能
流體靜力學平衡
/ HY-droh-STAT-ik /
把一顆恒星——比如太陽——想像成一個巨大的熾熱氣體球,體積是地球的上百萬倍,僅僅靠自身的重力維繫在一起。重力是無情的:那團氣體的每一克都被拉向中心,那麼恒星為什麼不會乾脆塌縮成一個點呢?答案是:又熱又密的氣體會向外推回去。流體靜力學平衡,指的就是重力向內拉與壓力向外推之間那場貫穿恒星一生的對峙,一層一層,從核心一直延伸到表面。
設想恒星深處任意一層薄薄的氣體殼。下方氣體的壓力把它往上托;上方氣體的壓力,再加上其上所有物質的重量,把它往下壓。在平衡時這兩者恰好抵消,於是這層殼靜止不動。由於越往深處、壓在上面的重量越大,壓力必須朝中心一路升高才能撐住它。在太陽裡,中心壓力約為地球大氣壓的兩千五百億倍,中心溫度約一千五百萬克耳文。恒星既不在下落,也不在飛散,而是處處同時保持平衡。
這種平衡是整個恒星結構所依憑的根基。它還能自我糾正,這正是恒星能穩定存在數十億年的原因:若核心被多壓了一點,它就會升溫、壓力上升,從而把自己往外推回去;若它膨脹過頭,就會變冷、又塌陷回來。一個常見的誤解是把它當成一種凝固的、完成了的狀態。其實它是動態的——恒星的核心在不停產生能量,表面則不停把能量漏掉——但向內和向外的力始終保持相稱,所以在一個人的一生裡其結構幾乎紋絲不動。
當一顆恒星的核心終於耗盡燃料,原本撐住它的壓力消退,重力獲勝,核心便在幾秒內塌縮——這場劇烈的終結,不過是流體靜力學平衡的失守。太陽四十六億年的穩定,則是同一種平衡的成功維持。
只要壓力能與重力相稱,恒星就能存續;一旦不能,塌縮便開始。
流體靜力學平衡平衡的是壓力與重力,而不是恒星的自轉或磁場——後兩者只在特殊情形下才重要。它還是局域的——在每一層薄殼中都成立,正因如此壓力才必須朝中心平滑升高。
又稱
另見