Извините заранее. Вам не понравится этот ответ.

«Вещество» в материи белого карлика более конкретно известно как вырожденная материя . По сути, чем сильнее вы раздавливаете эту материю, тем больше «заполняются» допустимые квантово-механические состояния для электронов. Для нормальной материи допустимых состояний гораздо больше, чем электронов, поэтому у нас нет этой проблемы. Для вырожденной материи у вас начинают заканчиваться состояния, а это означает, что материя не может коллапсировать ближе друг к другу. Это создает давление, которое удерживает белого карлика от гравитации.

Это дело ведет себя забавно. Оказывается, это давление зависит не от температуры, а от массы. Чем больше у вас массы, тем меньше становится белый карлик, а не больше. Этот странный процесс продолжается до тех пор, пока вы не достигнете примерно 1,4 массы Солнца, после чего гидростатическое давление этого вырожденного электронного супа не может конкурировать с гравитацией, и он коллапсирует в нейтронную звезду (которая удерживается за счет вырождения нейтронов, а не за счет электронов). дегенеративное давление).

Вы хотите белого карлика с небольшой массой. Как это ни парадоксально, это означает, что это очень большой белый карлик. Если бы вы взяли эту материю из тяжелого (маленького) белого карлика, она, вероятно, должна была бы расширяться по мере того, как вы выносили ее, чтобы поддерживать это гидростатическое равновесие (в первую очередь, взмахивая рукой той магией, которую вы использовали, чтобы вытащить ее из карлика).

Насколько велик? Что ж, к счастью, поскольку вы ищете карлика с малой массой, вы также ищете такого, где скорость электронов не приближается к релятивистской. Это означает, что мы можем использовать более простые отношения$R\propto M^{-\frac{1}{3}}$. Используя нерелятивистские уравнения , белый карлик с массой Солнца будет приблизительно равен 0,014 солнечного радиуса в диаметре, или 9737 км. Масса Земли составляет около 0,000003 массы Солнца.$0.000003^{-\frac{1}{3}}=69$, поэтому радиус вашего белого карлика с массой в 1 земную на самом деле будет в 69 раз больше, чем у белого карлика с массой в 1 солнечную массу, или около 670 000 км. На самом деле это значительно больше, чем у самой Земли, что указывает на то, что в какой-то момент гидростатические уравнения, управляющие белыми карликами, перестали быть доминирующим фактором.

Другими словами, возьмите массу белого карлика, равную 1 массе Земли, из белого карлика, и давление будет расширять его наружу, пока он не перестанет действовать как белый карлик и не начнет действовать как обычная нормальная материя. Вам понадобится немного handwavium, чтобы держать его компактным.

Вам также понадобится немного руквавиума, чтобы сохранить атмосферу. Наука не говорит, что атмосфера останется. Фактически, там говорится, что атмосфера будет покидать ваш астероид даже больше, чем на Земле. Ускорение свободного падения уменьшается на квадрат радиуса. На Земле разница гравитации между уровнем моря и 100 км (линия Кармана, край космоса) минимальна. Это всего около 3%. Это связано с тем, что радиус от вашего объекта до центра Земли изменяется только с 6 371 км до 6 471 км. Это довольно скромное изменение. Однако, если ваш астероид всего 5 км, 5 км + 100 км — большая разница. Гравитация будет примерно на 0,23% сильнее на 100 км, чем на 5 км. Если гравитация на поверхности вашей планеты составляет 9,8 м/с ² , как на Земле, гравитация на 100 км составляет всего 0,022 м/с.² ! Это не будет держать много атмосферы вообще!

Первое приближение

Рассчитаем поверхностную гравитацию . Предполагая объект плотности$\rho$и радиус$R$, гравитация на поверхности

Вернемся к другому способу написания$g$:

Большая проблема? Между каплей и поверхностью находится полтора километра материала, а гравитационная сила на$r=R$будет много.$g(R)$будет около 145 м/с$^2$. Следовательно, вам нужен материал внутри астероида, способный противостоять таким силам. Это непросто. Давление будет довольно большое. Хорошо подумайте об этом, прежде чем строить.

Настоящий белый карлик

Прочитайте ответ Корта Аммона (и проголосуйте за него!). Они говорят о том, что благодаря давлению вырождения электронов белые карлики подчиняются любопытному соотношению масса-радиус :

Давление вырождения

Это соотношение массы и радиуса возникает из-за того, что белый карлик поддерживается давлением вырождения электронов , возникающим из принципа запрета Паули. По сути, никакие два одинаковых фермиона (частицы материи, такие как электроны, кварки и т. д.) не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Таким образом, когда вы сжимаете целую группу фермионов, возникает давление, которое сопротивляется сжатию. У белого карлика это происходит от электронов; в нейтронной звезде это происходит от нейтронов.

Проблема отношения массы к радиусу возникает и в некоторых других телах из вырожденной материи, включая нейтронные звезды. Для нейтронных звезд соотношение масса-радиус не очень хорошо известно , потому что уравнение состояния (EOS), уравнение, связывающее давление и плотность, точно не известно. Это очень активная область исследований, как наблюдательных, так и теоретических. Тем не менее, если бы вы заменили ее нейтронной звездой, кварковой звездой или каким-то другим телом, у вас все равно возникла бы проблема.

Из любопытства попробуем вычислить минимальный радиус белого карлика. Максимальная масса определяется пределом Чандрасекара, составляющим около$1.44M_{\odot}$. Подставив это в$(3)$дает$R_{\text{min}}\approx0.0021R_{\odot}$, или около 1467 км. Это бесполезно. Что, если мы зайдем еще дальше и попытаемся найти самую маленькую из возможных нейтронных звезд? Что ж, предел Толмена-Оппенгеймера-Волкова по сути является аналогом предела Чандрасекара; это о$2.25M_{\odot}$. Оптимистические уравнения моделей состояния дают нам радиус около 9-10 км. Опять же, это слишком высоко.

А кварковые звезды ? Это гипотетические объекты, состоящие в основном из кварк-глюонной плазмы, находящиеся примерно в том же диапазоне масс, что и нейтронные звезды . Считается, что они плотнее нейтронных звезд и меньше, и, что более важно, из того немногого, что мы знаем об их уравнении состояния, самые маленькие из них также должны быть менее массивными. Проблема, конечно, в том, что они все еще недостаточно малы. 6-8 км вполне разумно для небольшой кварковой звезды. Кроме того, мы не очень хорошо знаем, как они себя ведут; наши ограничения на EOS плохие.

^{Рисунок 4, Родригес и др. (2011) . Соотношения массы и радиуса для кварковых звезд.}

Из того немногого, что я знаю о кварковых звездах, отношение массы к радиусу зависит от отношения$\bar{\Lambda}/\mu$, куда$\bar{\Lambda}$это то, что называется точкой вычитания перенормировки и$\mu$гораздо более знакомый химический потенциал. Параметр$\bar{\Lambda}/\mu=2$и$\bar{\Lambda}/\mu=3$дают очень разные результаты, возможно, отличающиеся в 2 раза (см. Fraga et al. (2001) ). Если $\bar{\Lambda}/\mu=2$, мы могли видеть меньшие кварковые звезды.

Тем не менее, если мы используем некоторые из наименьших радиусов, соответствующих этому оптимистическому значению Фраги и др., Мы обнаружим, что для$R=4$км,$M=0.2M_{\odot}$, и другие$g=1.66\times10^{12}$РС$^2$.

Это слишком высоко.

Черная дыра

У нас есть еще один вариант. Чем массивнее черная дыра, тем она больше, а чем менее массивна черная дыра, тем она меньше. Скажем, вместо этого мы поместим черную дыру в центр астероида, который$r=2$км. Для нашей желаемой поверхностной гравитации нам нужно$M=5.87\times10^{17}\text{ kg}$. Вычисление радиуса Шварцшильда дает нам$R_s=8.72\times10^{-10}$м, что более чем удобно помещается внутри астероида.

Теперь черная дыра может испариться из-за излучения Хокинга , но это займет много времени — примерно$5\times10^{29}$лет, или 500 миллиардов миллиардов миллиардов лет. Так что на какое-то время он задержится. Тем не менее , гравитация по-прежнему чрезвычайно сильна, и она довольно быстро срастет остальную часть планеты.

В других ответах указано, почему вы не можете превратить 5-километровую планету (астероид) в космическую среду обитания так, как вы описали.

Однако вы можете построить цилиндр О'Нила . Выдолбить цилиндрический астероид, заставить его вращаться и жить внутри. Эта концепция была популяризирована в научно-фантастических романах, таких как « Свидание с Рамой » (Артур Кларк) или «2312» (Ким Стэнли Робинсон), фигурировала (кратко) в таких фильмах, как « Интерстеллар », и была темой вопросов на этом сайте, таких как как здесь , здесь или здесь .

Источник: НАСА, Wikimedia Commons .

Я уже думаю, что ответ @HDE 226868 должен быть приемлемым из-за его всегда качественной информации. Но есть мелочь, с которой я не согласен и резко меняет ответ: жара.

Белый карлик имеет температуру поверхности от 6 000 до 30 000 К , это немного тепло! Ваш астероид пахнет из-за высокой температуры...

Вот почему я предлагаю использовать черного карлика , который буквально является охлажденным белым карликом. Очевидно, что из-за его тепла вам понадобятся некоторые передовые технологии, чтобы охладить его, потому что для естественного охлаждения требуется МНОГО (гигалет) времени. Я не буду рассказывать вам, как охладить одного белого карлика, но из-за этого ответа @HDE 226868 задал вопрос об этом!

Я не уверен, что переход от белого карлика к черному внесет какие-то другие изменения в его странную физику, такие как «любопытное отношение масс», о котором говорилось в его посте.

Корт и HDE уже рассказали вам, почему это невозможно в отношении планеты от ее ядра до поверхности, и Корт также подробно остановился на атмосферном выходе.

Если вы отмахнетесь от них, у вас все равно останется много проблем, связанных не с гравитацией, а с размером астероида.

На Земле у нас много атмосферы. Ваш астероид? Не так много. Чтобы поддерживать такое же давление, как здесь, отношение объема атмосферы к поверхности планеты должно быть равно$\frac{1}{1,000}$что на Земле. Это потому, что объем уменьшается быстрее, чем площадь поверхности (снова действует закон квадрата-куба). Астероид будет иметь гораздо меньшую теплоизоляцию, чем здесь. Разница температур между дневной и ночной сторонами будет несовместима с жизнью, какой мы ее знаем. Эта разница также приведет к тому, что ураганные ветры будут не событиями, а естественным состоянием атмосферы планеты.

Также обратите внимание, что Солнце оказывает значительное приливное влияние на Землю. Приливный эффект Солнца составляет 44% от приливного эффекта Луны . На вашей планете это влияние вызовет цунами даже на озерах.

География и метеорология для вашей планеты то же самое, что биология для Австралии: природные опасности.

Другие ответы показывают, что согласно тому, что мы знаем о физике, это невозможно сделать. Таким образом, вам нужна какая-то физика, о которой мы еще не знаем (если ваша история выдержит такое).

Предполагая, что вы не хотите создавать сверхплотный материал, выходящий за пределы известной физики, не могли бы вы «импортировать» гравитацию откуда-то еще? Возможно, вместо того, чтобы поместить какое-либо вещество внутрь астероида, строители поместили червоточину, связанную, скажем, с черной дырой или каким-то другим явлением большой массы. Они могли варьировать количество импортируемой гравитации, изменяя размер отверстия.

Я понимаю, что это немного отходит от хорошей, твердой, основанной на фактах физики, так что, возможно, это слишком много, чтобы принять ее. В противном случае, запишите моих пра-правнуков на личную планету - звучит прикольно.

За исключением использования экзотических состояний материи, иметь истинную гравитацию, такую ​​же, как на Земле, невозможно. Тем не менее, вращательная гравитация вполне возможна. Используя уравнение гравитации вращения, период в секундах равен 2pi, умноженному на квадратный корень из радиуса в метрах, деленный на метры в секунду в квадрате, или это 1 , для астероида диаметром 6 км вам нужно, чтобы он вращался один раз каждые 110 секунд. . Для астероида диаметром 4 км вам нужно, чтобы он вращался каждые 127 секунд.