¡SI! Si aumenta la densidad de la luna, aumentará la gravedad de su superficie, independientemente de si aumenta la densidad al disminuir el radio de la luna o si lo hace agregando masa sin cambiar el volumen. Si aumenta la gravedad de la superficie lo suficiente, la luna podría retener una atmósfera.
Se puede pensar en usar la gravedad newtoniana regular. Si la luna fuera una masa puntual, y estuvieras a 1 radio de distancia, sentirías la gravedad normal de la luna. Si aumentara la masa de la fuente puntual, pero se mantuviera a la misma distancia, sentiría una mayor gravedad, y si mantuviera la masa puntual igual, pero se acercara a ella, también sentiría una mayor gravedad.
Debo señalar también que cuanto más denso y pequeño es un objeto, mayores son las fuerzas de marea. Esto significa que un objeto pequeño muy denso podría tener una gran gravedad en la superficie, pero la atracción gravitacional cambiaría rápidamente con la distancia desde el centro del objeto. Por lo tanto, es posible tener un objeto que sea tan pequeño y denso que tenga una gravedad superficial aproximadamente equivalente a la de la Tierra, pero podría simplemente dar un salto en órbita.
Voy a hacer referencia a Little Planet de XKCD para esto, solo porque es tan perfectamente relevante para esta pregunta.
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