恒星结构与核能

流体静力学平衡

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把一颗恒星——比如太阳——想象成一个巨大的炽热气体球,体积是地球的上百万倍,仅仅靠自身的引力维系在一起。引力是无情的:那团气体的每一克都被拉向中心,那么恒星为什么不会干脆塌缩成一个点呢?答案是:又热又密的气体会向外推回去。流体静力学平衡,指的就是引力向内拉与压力向外推之间那场贯穿恒星一生的对峙,一层一层,从核心一直延伸到表面。

设想恒星深处任意一层薄薄的气体壳。下方气体的压力把它往上托;上方气体的压力,再加上其上所有物质的重量,把它往下压。在平衡时这两者恰好抵消,于是这层壳静止不动。由于越往深处、压在上面的重量越大,压力必须朝中心一路升高才能撑住它。在太阳里,中心压力约为地球大气压的两千五百亿倍,中心温度约一千五百万开尔文。恒星既不在下落,也不在飞散,而是处处同时保持平衡。

这种平衡是整个恒星结构所依凭的根基。它还能自我纠正,这正是恒星能稳定存在数十亿年的原因:若核心被多压了一点,它就会升温、压力上升,从而把自己往外推回去;若它膨胀过头,就会变冷、又塌陷回来。一个常见的误解是把它当成一种凝固的、完成了的状态。其实它是动态的——恒星的核心在不停产生能量,表面则不停把能量漏掉——但向内和向外的力始终保持相称,所以在一个人的一生里其结构几乎纹丝不变。

当一颗恒星的核心终于耗尽燃料,原本撑住它的压力消退,引力获胜,核心便在几秒内塌缩——这场剧烈的终结,不过是流体静力学平衡的失守。太阳四十六亿年的稳定,则是同一种平衡的成功维持。

只要压力能与引力相称,恒星就能存续;一旦不能,塌缩便开始。

流体静力学平衡平衡的是压力与引力,而不是恒星的自转或磁场——后两者只在特殊情形下才重要。它还是局域的——在每一层薄壳中都成立,正因如此压力才必须朝中心平滑升高。

又称
hydrostatic balancestatic equilibrium of a star流体静力平衡靜力平衡