Почему планеты не сдавливаются гравитацией?

Очень простыми словами, которые, я надеюсь, вы поймете.

Гравитационная сила притяжения зависит от массы и расстояния.
На атомы, составляющие Землю, действуют две силы: гравитационное притяжение, обусловленное всеми другими атомами, и кулоновская/электростатическая сила отталкивания между электронами, вращающимися вокруг атомов.
Электронные оболочки отталкиваются друг от друга.

По мере увеличения массы сила гравитационного притяжения увеличивается, и атомы сближаются, а отталкивание между электронными оболочками увеличивается, чтобы уравновесить возросшее гравитационное притяжение.

Если масса увеличивается еще больше, кулоновская сила отталкивания не может уравновесить возросшую силу гравитационного притяжения, и атом коллапсирует, а протоны и электроны объединяются, образуя нейтроны.
Тогда у вас есть сущность, состоящая из нейтронов — нейтронная звезда.

Между нейтронами по-прежнему существует сила гравитационного притяжения, но теперь сила отталкивания обеспечивается сильным ядерным взаимодействием между нейтронами - нейтроны не любят, когда их "раздавливают".

Увеличьте массу еще больше, и сила гравитационного притяжения увеличится, а также сила отталкивания между нейтронами из-за сближения нейтронов.

В конце концов, если вы увеличите массу еще больше, силы отталкивания между нейтронами будет недостаточно, чтобы уравновесить силу гравитационного притяжения между нейтронами, и вы получите еще один коллапс в черную дыру.

Таким образом, простой ответ на ваш вопрос заключается в том, что гравитационные силы между атомами, из которых состоит планета, недостаточно велики, чтобы инициировать катастрофический коллапс, потому что масса планеты недостаточно велика.

Планеты сокрушены гравитацией! Вот почему, например, Земля представляет собой плотно упакованную сферическую скалу, а не рыхлое облако пыли.

Просто не хватает сокрушительной «силы», чтобы сделать что-то большее.

Частицы, из которых состоят атомы, электрически заряжены, и они отталкиваются друг от друга, когда подходят слишком близко друг к другу. Гравитационные силы только притягивают одну частицу к другой и никогда не отталкивают, но они чрезвычайно слабы по сравнению с электрическим взаимодействием. Чтобы создать черную дыру, сила гравитации должна преодолеть эти силы отталкивания между частицами. Для таких объектов, как Земля и Солнце, силы отталкивания намного больше силы гравитации.

Уже было несколько ответов, но как попытка синтеза:

Гравитация притягивает, и при отсутствии противодействующей силы отталкивания вызывает коллапс массивного объекта. Порядок величины давления, необходимого для сопротивления гравитационному коллапсу, примерно порядка$GM^2/R^4$куда$M$масса объекта и$R$его радиус.

В случае такой планеты, как Земля, силы отталкивания имеют электростатическую природу (их электроны стремятся отталкиваться). Для земли,$GM^2/R^4 \sim$1000 ГПа.

Если масса намного больше, гравитация слишком сильна, а электростатические силы слишком слабы, чтобы противостоять ей. Когда плотность достаточно высока, могут происходить ядерные реакции, испускающие большое количество радиации. В этом случае объект является звездой и удерживается тепловым давлением. Для солнца,$GM_{\odot}^2/R_{\odot}^4 \sim 10^{6}$ГПа, но это давление может сильно варьироваться от одной звезды к другой.

Через некоторое время ядерные реакции перестают выделять достаточно энергии, например, когда начинает производиться железо (железо является наиболее стабильным ядром, и реакции, преобразующие его, будут эндотермическими). В этом случае объект может коллапсировать в форму материи с более высокой плотностью, на этот раз стабилизированную благодаря принципу запрета Паули.

Этот принцип гласит, что два фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние, что приводит к очень сильной силе отталкивания между ними. В белых карликах этими фермионами являются электроны. В нейтронных звездах это в основном нейтроны. Сильное взаимодействие также способствует сопротивлению гравитации в нейтронных звездах. В этих случаях давление может быть экстремальным. Масса нейтронной звезды обычно$\gtrsim 1.2 M_{\odot}$, а его радиус порядка 10 км. Это дает$P \sim 10^{25}$ГПа.

Вы должны понимать, что здесь задействованы два фактора: первый — это гравитация, которая пытается приблизить планету и раздавить ее, а второй фактор пытается сопротивляться этому сжатию, например, принцип запрета Паули иногда приводит к отталкиванию, ядерная реакция также сопротивляется сжатию в звезды . Так что эта игра двух разных факторов приводит к дроблению в некоторых, но не во всех случаях.

Здесь уже есть много хороших ответов, но один способ думать об этих вещах, возможно, недостаточно подчеркнут. То есть масса внутри сферы (при условии равномерной плотности) увеличивается пропорционально кубу радиуса. Таким образом, если вы удвоите радиус, у вас будет в восемь раз больше массы внутри. Таким образом, гравитационная сила увеличивается по мере того, как объекты становятся больше. Следовательно, небольшие объекты могут даже не быть сферическими, но планеты выше определенного размера будут сферическими, и по мере того, как они продолжают увеличиваться в размерах, гравитационные эффекты становятся все более и более значительными.

Другая родственная и полезная концепция — это радиус Шварцшильда . Упрощенно вы можете думать об этом следующим образом. Предположим, у вас есть определенная масса ($m$) и поместите его внутрь сферы радиусом$r$. По мере того, как радиус становится все меньше и меньше, скорость убегания становится все больше и больше. В определенный момент скорость убегания равна скорости света, и ничто не может убежать. Этот радиус, при котором это происходит, является радиусом Шварцшильда и пропорционален массе$m$. Согласно обсуждению в первом абзаце, массе становится все легче и легче вписаться в свой радиус Шварцшильда, чем больше она становится. Что-то вроде земли должно поместиться внутри сферы диаметром 1 см, что в принципе невозможно, учитывая отталкивание атомов. Но для гораздо более крупных объектов по мере увеличения радиуса масса увеличивается как у куба, и, следовательно, радиус Шварцшильда увеличивается как у куба, и поэтому в конечном итоге для достаточно больших объектов становится легче быть черной дырой.

Аналогичная физика применима и в других ситуациях.