Сфера Дайсона – это гипотетическая мегаструктура, первоначально описанная Фрименом Дайсоном
. Подобная сфера являет собой систему орбитальных спутников, которые полностью окружают звезду и захватывают большую часть энергии её излучения. Дайсон предположил, что подобная структура будет логическим продолжением долгосрочного выживания и роста энергетических потребностей технократической цивилизации. Также он считает, что поиски следов существования таких структур могут привести к обнаружению развитых внеземных цивилизаций.
После этого были выдвинуты и другие варианты, предполагающие строение искусственных структур или последовательности структур, которые окружают звезду. Эти последующие предположения не ограничивались лишь станциями использования солнечной энергии. Многие из них охватывали идею о проживании на таких сферах или использовании их в качестве промышленных мощностей. В некоторых произведениях художественной литературы такая сфера описывается как сплошная скорлупа, в которой замкнута звезда, но такой вариант является наименее правдоподобным.
Происхождение понятия
Концепция сферы Дайсона является результатом мысленного эксперимента физика и математика Фримена Дайсона, где он отметил, что каждая человеческая технологическая цивилизация постоянно испытывает рост потребностей в энергии. Он рассуждал, что если человеческой цивилизации суждено существовать ещё достаточно долго, то рано или поздно придет время, когда она почувствует потребность в таком объеме энергии, который выделяется Солнцем. Он выдвинул идею о системе орбитальных элементов (на которую он изначально ссылался, как на сферическую поверхность), разработанную для перехвата и сбора всей энергии, вырабатываемой светилом. Предложение Дайсона не содержало в себе того, как именно подобная система может быть построенная, а лишь фокусировалась на вопросах сбора энергии.
Осуществимость
Хоть и считается, что некоторые широко описанные варианты конструкции (в частности те, которые базируются на идеи оболочки) являются тяжело осуществимыми на практике, некоторые другие варианты сферы – те, которые базируются на идеи орбитальных спутников или солнечных парусах - не требуют для их создания каких-либо крупных теоретических прорывов в наших основных научных знаниях. Размещение космических кораблей и спутников, использующих фотоэлементы, может быть всего лишь маленьким шагом на пути строительства сферы Дайсона. Однако, создание и размещение космических кораблей и спутников в необходимом количестве для создания объединённой системы сбора энергии, соизмеримой с размерами солнечной системы, находится за пределами наших сегодняшних индустриальных потребностей и возможностей. Также возможно, что существует множество непредвиденных сложностей, связанных с масштабами строительства в таком крупном проекте, и что наше нынешнее понимание промышленной автоматизации не достаточное для постройки самоподдерживающих систем, способных обслуживать сферу.
Варианты
В большинстве идей сфера Дайсона представлена в виде искусственного, полого шара материи, внутри которого находится светило. Это понимание является неправильным толкованием оригинальной концепции Дайсона. Сам Дайсон отвечал: «Сплошная оболочка или кольцо, окружающие звезду, механически невозможны. Форма «биосферы», которую я себе представляю, состоит из несвязанного сбора или роя объектов, путешествующих на независимых орбитах вокруг светила».
Рой Дайсона
Самый близкий вариант оригинальной концепции Дайсона – это «Рой Дайсона» (Dyson swarm). Он состоит из большого количества независимых конструкций (спутников солнечной энергии или точек обитания), который вращаются вокруг звезды, образуя плотную формацию. Такой подход строительства сферы Дайсона имеет несколько преимуществ:
компоненты, которые её образуют, могут широко варьироваться в размерах и дизайне, и такая сфера может строиться постепенно на протяжении длительного периода времени;
в целях передачи этой энергии между элементами могут использоваться различные формы беспроводной передачи энергии.
Подобный рой также имеет свои недостатки. Природа орбитальной механики может сделать процесс проектирования орбит элементов чрезвычайно сложным. Простейший вариант такого проектирования – это кольцо Дайсона (Dyson ring), в котором все эти элементы используют одну и ту же орбиту (рис. 1). Более сложные модели с большим количеством колец будут перехватывать больше звездной энергии, но при этом будут периодически затмевать другие элементы, когда их орбиты будут перекрываться (рис. 2). Другая возможная проблема заключается в увеличении убытка орбитальной стабильности, так как добавление новых элементов увеличивает вероятность орбитальных возмущений (искажений) существующих элементов.
Как сказано выше, подобное облако сборщиков энергии может изменить свет, излучаемый светилом, но, как это видно в варианте «роя Дайсона», маловероятно, что такое изменение будет полным, поэтому какая-то часть естественного света звезды будет присутствовать в спектре.
нажмите для просмотра в оригинальном размере (1024х768)
Рис. 1. Кольцо Дайсона
нажмите для просмотра в оригинальном размере (1024х768)
Рис. 2. Модель из множества колец Дайсона
Оболочка Дайсона
Наиболее распространенный вариант сферы Дайсона – это "оболочка Дайсона" (Dyson shell) - однородная сплошная оболочка материи, окружающая звезду (рис. 3). В отличие от роя Дайсона, такая структура может полностью изменить излучение центральной звезды и перехватывать 100% энергии выхода. Такая структура будет также обеспечивать огромную площадь для различных поселений.
Для нашей Солнечной системы сферическая оболочка Дайсона радиусом в 1 а.е. (1 а.е. = 1 астрономическая единица = среднее расстояние от Земли до Солнца), то есть таким радиусом, при котором её внутренняя поверхность будет получать такое же количество солнечного света из расчета на телесный угол, как и Земля, будет иметь площадь не менее 272 квадриллионов км2 (приблизительно 550 миллионов площадей поверхности Земли). Она будет перехватывать всю энергию выхода Солнца - 400 септиллионов ватт. Другие варианты конструкции будут перехватывать значительно меньше, но вариант оболочки представляет собой максимально возможный перехват энергии в нашей Солнечной системе на данном этапе эволюции Солнца. Это примерно в 33 триллиона раз больше, чем потребление энергии человечеством в 1998 году (12 ТВт).
Рис. 3. Оболочка Дайсона радиусом 1 а.е. и толщиной 3м. Оранжевые стрелочки указывают направление инфракрасного излучения
Существует несколько серьезных теоретических трудностей, связанных со сплошной оболочкой Дайсона:
- Такая оболочка не будет иметь гравитационного взаимодействия с окруженной звездой и поэтому может дрейфовать по отношению к ней. Согласно теоремы о полой сфере, доказанную ещё Исааком Ньютоном, внутри симметрической оболочки на любое тело, независимо от его локации внутри этой сферы, силы гравитации взаимно исключаются, поэтому тело находится в невесомости (рис. 4).
Если сфера начнет дрейфовать, то такие движения могут пойти неправильным путём, что, в конечном счете, может привести к столкновению сферы со звездой, а это, скорее всего, приведет к катастрофическим последствиям. Поэтому, такие структуры должны либо иметь иную форму противодействия возможному дрейфу, либо каким-то образом отталкивать поверхность сферы от звезды.
Подробнее о гравитации внутри сферы читайте здесь.
Рис. 4. Силы тяжести, действующие на предмет, взаимно компенсируются
- По той же причине элементы любой биосферы, размещенные на внутренней поверхности оболочки Дайсона и неприкреплённые к её поверхности, просто свалятся на звезду.
Однако, было выдвинуто предположение, что биосфера может быть размещена между двумя концентрическими сферами на внутренней стороне вращающейся сферы (в этом случае, сила искусственной "тяжести" будет перпендикулярна оси вращения, в результате чего вся материя, размещенная на внутренней стороне сферы, объединится вокруг экватора, образуя фактически Мир-Кольцо для целей проживания, при этом оставаясь по-прежнему в полной мере эффективным сборщиком энергии - рис. 5).
Рис. 5. Мир-Кольцо: всё живое расположено на внутренней стороне вращающейся сферы
Также биосфера может размещаться на внешней стороне сферы Дайсона (в этом варианте нет вращающихся сфер или колец), где она будет держаться с помощью гравитации звезды. В таких случаях, цивилизация должна разработать новые формы освещения, или же сфера должна быть частично прозрачной, так как в противном случае свет звезды будет полностью скрыт.
- Если предполагать, что радиус сферы равен 1 а.е., то предел прочности для сжатия вещества, образующего сферу, должен быть огромным. Можно представить, что любая произвольно выбранная точка на поверхности сферы находится под давлением купола высотой в 1 а.е., основание которого проходит через эту точку так, что купол есть ни что иное как половина сферы Дайсона. На этот купол действует сила гравитации звезды. Таким образом, каждая точка сферы находится под давлением бесконечного числа произвольно выбранных куполов, которые вдобавок противодействуют друг другу – сжимают точку во взаимно противоположных направлениях. Результирующая сила огромна, хоть и является конечной (рис. 6). Ни один из известных или теоретических материалов не является достаточно крепким, чтобы противостоять такому давлению и образовывать жесткую статическую сферу вокруг звезды.
Рис. 6. На точку (зеленая точка) давит верхний купол (синяя линия) и нижний купол (красная линия). Таких противоположных куполов множество; результирующее давление на точку огромное.
Однако писатель Пол Берч предложил идею, согласно которой оболочка Дайсона может поддерживаться динамическими средствами, аналогичными тем, которые используются в космическом лифте. Массы, перемещающиеся круговыми дорожками по внутренней стороне сферы при значительно больших скоростях, нежели орбитальная скорость для сферы, будут оказывать давление в сторону, противоположную направлению гравитационного притяжения звезды, за счет центробежных сил (рис. 7). Для оболочки Дайсона радиусом 1 а.е. со звездой той же массы, как и масса Солнца, масса, перемещающаяся со скоростью в 10 раз быстрее, чем орбитальная скорость (297,9 км/с), будет поддерживать массу в 99 раз больше своей (а = v2/r). Однако, расположение этих треков имеет такие же трудности, как и расположение орбит в рое Дайсона, и неясно, сколько энергии будет потребляться для обеспечения необходимой скорости перемещений масс.
Рис. 7. За счет центробежного ускорения, вызываемого огромной скоростью (v), F1>F2, поэтому сжатие вещества может быть уменьшено
- В солнечной системе для сферы радиусом 1 а.е. может банально не хватить строительного вещества. Первоначальная оценка Дайсона предполагала, что в Солнечной системе существует достаточное количество вещества для строительства сферы радиусом 1 а.е. и толщиной 3м, но она включала водород и гелий, которые вряд ли могут использоваться в качестве строительного материала (однако с помощью ядерного синтеза из водорода и гелия можно получить и более крепкие материалы). Ученый Андерс Сандберг оценивает, что в нашей Солнечной системе находится 1,82х1026 кг легко используемого строительного материала, что является достаточным для строительства оболочки Дайсона радиусом 1 а.е., средней массой 600 кг/м2 при толщине приблизительно 8-20 см в зависимости от плотности. Этот материал включает в себя ядра газовых гигантов, которые, однако, могут быть труднодоступными; внутренние планеты отдельно могут предоставить лишь 11,79х1024 кг вещества, что достаточно для строительства оболочки Дайсона радиусом 1 а.е. с массой всего 42 кг/м2.
- Оболочка будет уязвима к воздействию межзвездных тел, таких как кометы, метеорные тела, и так далее.
- Наконец, оболочка будет уязвима перед телами, находящимися в межзвездном пространстве, но которые в настоящее время отклоняются благодаря дуговой ударной волне Солнца (рис. 8). Гелиосфера и какая-либо защита, которую она обеспечивает, перестанут существовать.
Рис. 8. Гелиосфера защищает нашу Солнечную систему от межзвездного ветра
Пузырь Дайсона
Третий тип сферы Дайсона – это "пузырь Дайсона" (Dyson bubble). Он похож на рой Дайсона, состоящий из множества независимых конструкций, которые могут быть построены на поэтапной основе.
Но, в отличие от роя Дайсона, конструкции, которые составляют пузырь, не выводятся на орбиту вокруг звезды, а являются своего рода солнечными парусами (рис. 9) – за счет давления солнечного ветра они могут зависать в космосе и противодействовать силе притяжения этого солнца. Эти конструкции ученый Роберт Л. Форвард называл statite (от слов static и satellite) – по аналогии будем их называть стапутниками (от статичный и спутник). Эти стапутники не будут угрожать опасностью столкновения друг с другом или затмения друг друга – они будут полностью стационарными по отношению к звезде и при этом независимыми друг от друга. Поскольку отношение давления излучения и силы тяжести звезды является постоянным, независимо от расстояния (при условии, что эти стапутники имеют беспрепятственную линию прямой видимости (визирования) с поверхностью звезды), такие стапутники могут также изменять своё расстояние до звезды.
Рис. 9. Солнечный парус
Практичность этого подхода вызывает сомнения с точки зрения современной материальной науки. Стапутники, размещенные вокруг нашего Солнца, должны иметь поверхностную плотность около 0,78 граммов на 1 квадратный метр паруса. Для иллюстрации столь низкой массы необходимых материалов, представьте себе, что общая масса пузыря таких материалов радиусом 1 а.е. будет около 2,17х1020 кг, а это примерно такая же масса, как и у астероида 2 Паллада (радиус 532 км).
Производство такого материала в настоящее время находится за пределами наших возможностей; самый легкий карбоновый солнечный парус в настоящее время имеет плотность без нагрузки 3г/м2, что в 4 раза тяжелее необходимого для стапутника.
Тем не менее, были выдвинуты предположения о создании сверхлегких сеток из углеродных нанотрубок с помощью молекулярных технологий - плотность таких сеток будет ниже 0,1 г/м2.
Если производство таких материалов в промышленном масштабе возможно, и такие материалы могут использоваться в парусах, средняя поверхностная плотность паруса с оснасткой может быть сведена до 0,3 г/м2. Если парус может быть построен с такой поверхностной плотностью, то космическое поселение размером с цилиндр О'Нилла (площадью 500 км2 с пространством для более 1 млн. жителей и массой около 3х109 кг - рис. 10) может снабжаться энергией от кругообразного солнечного паруса диаметром 3000км, что в сумме "парус + космическое поселение" даст массу 5,4х109 кг.
(нажмите для просмотра в увеличенном масштабе - 1884Ч1479)
Рис. 10. Цилиндр О’Нилла
Примечание: цилиндр О’Нилла может быть размещен в точках Лагранжа. Два разные по массе массивные космические тела (например, Солнце и Земля) вращаются вокруг своего общего центра масс. Если тело с небольшой массой в сравнений с массами Солнца и Земли будет двигаться вокруг этого центра масс с той же скоростью, с которой Солнце и Земля вращаются друг относительно друга, в точках L1-L5 (рис. 11) за счет гравитации Солнца и Земли и центробежной силы тело будет находиться в невесомости.
Рис. 11. Точки Лагранжа.
Диаметр 3000 км - это чуть меньше диаметра спутника Юпитера Европы (хоть и парус – это плоский диск, а не сфера) или расстояния между Москвой и Барселоной. Но при этом масса такого паруса будет намного меньше массы многих астероидов. Хоть и строительство таких массивных жилых стапутников будет гигантским шагом, а необходимые материалы для их строительства ещё не получены, технические трудности такого варианта являются незначительными по сравнению с другими чудесами инженерной мысли, предлагаемыми в качестве сферы Дайсона.
Поиск внеземного разума
В оригинальной статье Дайсон предположил, что достаточно развитые внеземные цивилизации, скорее всего, будут следовать той же тенденции, как и люди – рост потребления энергии; в конечном итоге они построят свою собственную сферу для сбора энергии. Постройка такой системы сделает эту цивилизацию цивилизацией типа II по шкале Кардашева.
Существование такой системы сбора энергии приведет к изменению излучаемого звездой света. Коллекторы (сборщики энергии) будут поглощать и переизлучать энергию звезды. Длина волны излучения, испускаемого коллекторами, будет определяться спектром излучения вещества, из которого сделаны коллекторы, и температурой этих коллекторов. Наиболее вероятным выглядит вариант, при котором эти коллекторы будут созданы из тяжелых элементов, которые обычно не обнаруживаются в спектрах излучения звезд или, по крайней мере, не излучают свет на таких относительно "низких" энергиях по сравнению с теми энергиями, которые они могут иметь при излучении в качестве свободных ядер, находящихся в атмосфере каждой звезды. Поэтому длина волны светового излучения в спектре этой звезды будет нетипичной для известных спектральных типов звезд. Если бы процент выхода энергии звезды, отфильтрованной или преобразованной таким поглощением и переизлучением, был значительным, все это могло бы стать обнаруживаемым на межзвездных расстояниях (см. подробнее Спектральная классификация).
Учитывая количество энергии в расчете на 1 м2 на расстоянии 1 а.е. от Солнца, можно подсчитать, что большинство известных веществ будет переизлучать энергию в инфракрасной части электромагнитного спектра. Таким образом, сфера Дайсона, построенная разумной формой жизни (не отличающейся сильно от человеческой и живущей в непосредственной близости от похожей на Солнце звезды) и сделанная из материалов аналогичных тем, которые доступны для людей, скорее всего, станет главной причиной увеличения количества инфракрасного излучения в излучаемом звездой спектре (рис. 12). Отсюда Дайсон и выбрал название для своей статьи: "Поиск Искусственных Звездных Источников Инфракрасного Излучения" (Freeman John Dyson, Science, Vol. 131, June 3, 1960, pp. 1667-1668).
Рис. 12. Небо в инфракрасном диапазоне
Проект SETI принял эти предположения в своих поисках, выискивая такие "груженные инфракрасностью" спектры. По состоянию на 2005 г. Фермилаб осуществляет непрерывные исследования таких спектров на основе анализа данных Инфракрасной орбитальной обсерватории (IRAS) (рис. 13).
Рис. 13. Инфракрасная орбитальная обсерватория
Перевёл и дополнил статью: Уткин А.В.
