​Какого максимального размера можно построить космический объект или корабль из существующих материалов, чтобы он не сколлапсировал под действием собственной силы тяжести?

СпрашиваетСтанислав Смирнов

#гравитация
+3

27 августа
83 664


Средний вопрос





Алексей Тимошенко
эксперт

На этот вопрос ответить одновременно и легко, и сложно. Если мы строим нечто такое, что на это «нечто» начинает действовать собственная сила тяжести и нам ее надо учитывать — то это «нечто» должно быть очень большим, по-настоящему большим! Так, малые планеты обретают шарообразную форму (то есть им уже становится не всё равно, как выглядеть, и сила тяжести начинает сглаживать поверхности) начиная с диаметра примерно под полтысячи километров. Можете посмотреть на карликовую планету Цереру или крупный спутник Сатурна Мимас, а потом сравнить, например, с Гиперионом (тоже спутник Сатурна, но небольшой — и потому совсем не шарообразный).
При этом указанные небесные тела сделаны из, мягко говоря, скверных строительных материалов — снег, лед, гравий и прочий строительный мусор, оставшийся от работ по сооружению объектов поприличнее. Если вы будете использовать хотя бы сталь Ст3 (самая распространенная и недорогая марка), то вы спокойно сможете сделать нечто пусть поперечником 500 км, но достаточно прочное, чтобы успешно выдерживать воздействие собственного тяготения. Тем более что вам вряд ли нужна сплошная конструкция: в космическом корабле все-таки обычно предполагаются разные пустоты.
Но это еще не вся история. Поскольку в вашем тендере… простите, вопросе! – фигурирует «чтоб не сколлапсировал» (а в космосе это слово имеет вполне определенный смысл), то мы можем провернуть операцию «Шабашмонтаж». Берем весь мусор, который удается собрать по Галактике — битые кирпичи, обрывки линолеума и рубероида, колотый шифер, гнилые доски и прочий некондиционный материал, включая бракованную партию плутония с Плюка-69 и отсыревший картон с Благозаветовской мебельной фабрики. Ииии… всё это просто сваливаем в одно место. Чем больше, тем лучше. Как только наберется на шарик диаметром 500 км или около того, можно уже смело добавлять жидкие отходы (поговорите с галактической ассенизационной службой; их контакты обычно пишут на астероидах под словами «Откачка септиков»). Сойдет любая дрянь и помои, гравитация за вас всё это аккуратно соберет в шарик.
Единственная проблема — ваша куча со временем начнет разогреваться. Но вы легко можете сказать, что так и задумано: нужно же вашей конструкции поддерживать микроклимат! При размере в тысячу километров и более сжатие центральной части вашей кучи мусора станет достаточным, чтобы разогреть всю собранную пакость до температуры плавления (или пиролиза, если вы насобирали заодно и разной органики, и сунули ее туда же). При еще большем размере в центр уже начнет постепенно собираться тяжелая фракция: расплавленный металлолом, который вы тоже накидали в эту кучу.
Если заказчик вдруг начнет возмущаться, чего это его объект (корабль?) вдруг покрывается прорывающейся изнутри магмой, просто скажите, что это необходимый технологический этап. Далее все зависит только от бюджета и ловкости ваших юристов. Разогрев строящейся кучи начиная с массы около 0,07 солнечной окажется настолько велик, что внутри сначала начнётся термоядерное горение водорода, а потом, возможно, подключатся и более тяжёлые элементы.
Имейте в виду, «на огонёк» (а светить это будет уже по всему спектру, поверхность нагреется до многих тысяч градусов) обязательно заглянут ребята из Инспекции по техническому состоянию звезд — придется им объяснить, что у вас не звезда, а, кхм, «звездоподобный» объект. Упирайте на аномальный для звезды состав: ни одно нормальное светило не состоит из того мусора, который вы нагребли по всей Галактике. Впрочем, вряд ли вам удастся набрать настолько большую кучу из чего-то помимо водорода — упомянутых выше отбросов у нас мало, а вот водорода в Галактике много! И да, его частенько остаются избытки: астрономы называют свалки водорода термином «межзвёздные облака». Элементы потяжелее просто так по космосу редко летают, а вот водорода полно в солнечном ветре, в джетах из ядер галактик и прочих источниках бросового материала. Волей-неволей ваш, гм, «корабль» будет напоминать по составу звезды второго-третьего поколений, то есть такие, которые образовались из вторсырья — материала, уже прошедшего через другие звезды. Астрономы такие звезды узнают по металличности: содержанию элементов тяжелее гелия.
Далее можно продолжать до … ну, зависит от. Если вам надо сдавать заказчику конструкцию, способную простоять много миллиардов лет, даже если вы переборщили с водородом — ограничивайте себя отметкой хотя бы в пределе Чандрасекара. Это примерно 1,35 (берите с запасом) массы Солнца. Если вам не критично, что ваш объект со временем станет уже нейтронной звездой — тогда ваш предел 2,3 массы Солнца, а если масса будет еще больше, то все обречено прогореть и схлопнуться в черную дыру.
Ну а если вы сдаете работу, а потом выкидываете симку сразу после получения оплаты, то смело валите аж 200-250 солнечных масс. Такая куча будет очень, очень ярко светиться, за ее починку не возьмется ни одна бригада, а спустя весьма короткое время (вплоть до считанных сотен тысяч лет) она схлопнется. Со взрывом, разумеется.
p.s. Если вас все-таки интересует именно корабль, то есть что-то, на чем человеческое существо смогло бы лететь к другой звезде — то крайне сложно представить себе осмысленный сценарий, в котором полая структура окажется столь велика, что не сможет противостоять силам собственного тяготения. Тем более что ваш корабль должен ещё сопротивляться силам инерции при ускорении и торможении (и, возможно, при поворотах). Можно предположить, что такой корабль (в котором следует опасаться гравитационного коллапса) должен превышать в поперечнике десятки тысяч километров (учитывая пустоты) — а тогда что это за корабль такой, спрашивается?