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Notion de gaz parfait.
Une étoile peut exister sous réserve d'être dans un état d'équilibre. La compression d'origine gravitationnelle, qui tend à condenser l'étoile, doit être balancée par une autre source de pression : pression cinétique (ou thermique), pression de dégénérescence (ou quantique), pression de rayonnement.
Aussi appelée pression thermique, cette pression est celle du gaz parfait chaud. Dans le cas classique, non relativiste, cette pression s'exprime pour un gaz de masse volumique à la température , composé de particules de masse :
En fonction de la densité particulaire , la définition devient :
La pression de dégénérescence est la pression dans un gaz parfait dit froid. Dans un milieu froid ou dense, les termes cinétiques peuvent devenir négligeables et les interactions entre nuages électroniques des atomes présents prépondérantes. La pression est alors dominée par la pression de dégénérescence des électrons (s'il y a des électrons). Ce terme de pression révèle la nature quantique de la matière : les électrons sont des fermions. Quand ces effets quantiques apparaissent, c'est que la densité de matière devient suffisamment importante pour négliger dans un premier temps l'agitation cinétique.
La pression de dégénérescence s'écrit alors (dans le cas non relativiste) :
avec la masse volumique, et et respectivement la charge et le nombre de masse des atomes en présence. La constante est un nombre : le calcul précis donne .
Dans certains cas, tel l'intérieur d'une étoile à neutrons, il peut ne plus y avoir d'électrons pour assurer la pression. On trouve alors des neutrons, qui sont toujours des fermions, et la pression de dégénérescence des neutrons s'écrit :
La pression de radiation du gaz de photons à la température s'exprime par :
où est la constante de Stefan-Boltzmann : . La grandeur s'écrit : . En unité SI, vaut . La dépendance de cette pression avec la puissance quatrième de la température est bien sûr reliée au spectre du corps noir.
La nature est complexe, si bien que ce qui suit n'est pas toujours vrai, mais en général :
Dans tous les cas, l'un des 3 termes de pression, ou l'association de 2 d'entre eux, doit permettre d'équilibrer la compression gravitationnelle. Si, on le verra plus loin, la source énergétique essentielle pour l'étoile adulte, dans la séquence principale, est l'énergie nucléaire, c'est la gravitation qui pilote l'évolution stellaire via la masse de l'objet.