Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
На протяжении поколений сфера Дайсона будоражила воображение учёных. Однако растущий объём исследований указывает на то, что эти мегаструктуры непрактичны. Это может иметь значение для программы поиска внеземного разума (SETI).
В 1960 году британско-американский физик-теоретик Фримен Дайсон выдвинул радикальное предложение, которое всколыхнуло поиски внеземного разума (SETI). Если кратко, Дайсон предположил, что развитые цивилизации (под давлением роста населения и растущей потребности в энергии) в итоге могут быть вынуждены создать массивные структуры, способные полностью окружить их звезду.
Эта структура стала известна как «сфера Дайсона» в честь Фримена. По мнению Дайсона, подобная конструкция могла бы использовать всю энергию звезды, увеличивая при этом обитаемое пространство развитой цивилизации на порядки. Более того, Дайсон предложил способ поиска таких структур исследователям SETI, путём обнаружения их инфракрасных (тепловых) сигнатур.
С момента первого предложения учёные рассмотрели множество других возможных типов мегаструктур. И некоторые идеи были несколько более экзотичными – например, мозг Матрёшки, двигатель Шкадова и приливный накопитель энергии чёрной дыры. Эти концепции часто совокупно называют «структурами Дайсона» в знак признания оригинальной идеи.
Даже появились предположения, что человечество нашло возможные доказательства существования структур Дайсона в 2017 году, когда астрономы начали замечать периодические падения яркости KIC 8462852 (известной как звезда Табби). Хотя последующие исследования нашли другие правдоподобные объяснения этому явлению, инцидент пробудил интерес к теме мегаструктур.
Некоторые учёные не согласились со многими аргументами, выдвинутыми в статье Дайсона. Например, многие инженеры критиковали его предложение с конструктивной точки зрения, утверждая, что такую сферу было бы крайне сложно построить, она непрактична и подвержена всевозможным опасностям и проблемам.
После более чем шестидесяти лет дебатов, пришло ли время пересмотреть возможность существования сфер Дайсона и мегаструктур? Ответ на этот вопрос может иметь существенное значение для SETI, поскольку учёные продолжают исследовать глубины космоса в поисках техносигналов, указывающих на присутствие развитых цивилизаций.
Происхождение концепции Дайсона
Предложение Дайсона впервые появилось в статье под названием «Поиск искусственных звёздных источников инфракрасного излучения», опубликованной в журнале Science 3 июня 1960 года.
В то время поиск внеземного разума (SETI) находился в зачаточном состоянии. Фактически самый первый эксперимент SETI — проект «Озма» под руководством профессора Корнелльского университета Фрэнка Дрейка — проводился в обсерватории Грин-Бэнк, когда вышла статья Дайсона. В ответ на предложения направить радиоантенны на близлежащие звёзды для прослушивания внеземных передач, Дайсон предложил другую возможность.
Он предположил, что внеземные цивилизации, вероятно, будут старше и, следовательно, более развитыми, чем человечество, учитывая возраст Вселенной (13,8 млрд лет) и факт, что Земля и Солнечная система сформировались только в последние 4,5 млрд лет.
Поэтому утверждал Дайсон, необходимо рассмотреть, как развитая цивилизация могла бы обеспечить себе достаточное пространство для расширения. Он также предположил, что материальными факторами, ограничивающими расширение технически развитого вида, являются «запас вещества и запас энергии».
В том же ключе он постулировал, что количество вещества и энергии, доступные человечеству в Солнечной системе, составляют 2×10 в 30 степени граммов (масса Юпитера) и 4×10 в 33 степени эрг в секунду (общая энергоотдача Солнца). На основе этих двух цифр родилась концепция сферы Дайсона. Как он писал:
«Масса Юпитера, если распределить её в сферической оболочке, вращающейся вокруг Солнца на расстоянии вдвое большем, чем расстояние от Земли до него, имела бы такую толщину, что масса составляла бы 200 граммов на квадратный сантиметр поверхности… Оболочка такой толщины могла бы быть сделана комфортно обитаемой и могла бы содержать всё необходимое оборудование для использования солнечного излучения, падающего на неё изнутри.
Представляется, таким образом, разумным ожидать, что, если не произойдёт несчастных случаев, мальтузианское давление в итоге заставит разумный вид принять какое-либо подобное эффективное использование доступных ресурсов. Следует ожидать, что в течение нескольких тысяч лет после вступления в состояние промышленного развития любой разумный вид должен быть обнаружен занимающим искусственную биосферу, которая полностью окружает его родительскую звезду».
Эта идея оказала немедленное влияние на астрономов и исследователей SETI, включая известных популяризаторов науки Карла Сагана и Рассела Уокера. В 1966 году они опубликовали статью под названием «Инфракрасная обнаружимость цивилизаций Дайсона», утверждая, что существующие инфракрасные космические телескопы могут обнаружить структуры Дайсона в пределах локального рукава нашей галактики.
Они также рекомендовали сочетать ИК-сигнатуры с другими техносигналами, как «монохроматические радиочастотные излучения», чтобы отличать структуры Дайсона от «естественно возникающих объектов низкой температуры», как звёздные объекты типа Y (коричневые карлики) или типа M (красные карлики).
Вопрос масштаба идеи
Новаторская идея Дайсона предвосхитила ещё один важный вклад в область SETI. В 1964 году знаменитый советский и российский астрофизик и радиоастроном Николай Кардашёв опубликовал статью под названием «Передача информации внеземными цивилизациями».
Целью Кардашёва в этой статье было предложить, какие типы радиочастот (и при каких энергиях) следует искать исследователям SETI. Кардашёв также предположил, что эти цивилизации, более старые и развитые, чем человечество, могли бы использовать недоступные людям уровни энергии.
Чтобы охарактеризовать потенциальный уровень развития цивилизации, Кардашёв предложил трёхуровневую шкалу, основанную на количестве энергии, которую они могли бы использовать. Эта шкала включала:
- Цивилизации I типа – Планетарные цивилизации: относится к тем, кто разработал средства для использования и хранения всей энергии своей родной планеты. По словам Кардашёва, это составило бы потребление 4×10 в 19 степени эрг/сек, и, вероятно, было бы в форме термоядерной энергии, антиматерии и возобновляемой энергии в глобальном масштабе.
- Цивилизации II типа – Звёздные цивилизации: эти эволюционировали до точки, когда они могут собирать всю энергию, излучаемую их звездой. В данном случае это составило бы потребление 4×10 в 33 степени эрг/сек.
- Цивилизации III типа – Галактические цивилизации: могли бы использовать энергию целой галактики, что составило бы потребление энергии порядка 4×10 в 44 степени эрг/сек.
Говоря о цивилизациях II типа, Кардашёв упомянул концепцию Дайсона и процитировал его оригинальную статью.
Осуществимость концепции
Со временем предложения Дайсона встречали как критику, так и одобрение. С одной стороны, некоторые учёные согласны с тем, что в Солнечной системе достаточно материала для её реализации.
После изучения математики сферы Дайсона, теоретический космолог и популяризатор науки Пол Саттер пришёл к выводу, что построение самой оболочки (на основе спецификаций) не только осуществимо, но и обеспечило бы возврат затрат в разумные сроки:
«Для более тонких метровых панелей, работающих с 90% эффективностью, ситуация полностью меняется. На расстоянии 0,1 а. е. Земля заслонила бы треть Солнца, и мы получили бы возврат наших энергетических инвестиций примерно за год. Что касается Юпитера, нам даже не нужно было бы идти к 0,1 а. е. На расстоянии примерно на 30% дальше этого мы могли бы достичь невообразимого: полностью окружить наше Солнце. Мы возместили бы энергетические затраты всего за несколько сотен лет и могли бы затем обладать всей производительностью Солнца с того момента».
С другой стороны, критики оспаривают важное утверждение Дайсона о том, что Юпитер обладает достаточным количеством материала для построения оболочки. Например, в своей статье с предложением Дайсон не признал, что только часть массы планеты будет пригодна для строительства. Это включает скалистое ядро и металлическое ядро, которые составляют всего 13% массовой доли планеты.
Между тем водород и гелий составляют 87% массы планеты. Между атмосферой Юпитера и его скалистым/металлическим ядром находится мантия, состоящая из «металлического водорода», где гравитационное давление сжимает водород до образования твёрдого тела. Вопрос о том, может ли этот водород оставаться в своём металлическом состоянии (метастабильном) после снятия давления, остаётся спорным.
В 2016 году команда учёных из Гарварда объявила, что они получили металлический водород, используя алмазные тиски, и образец был метастабильным. Однако эти утверждения были встречены со скептицизмом, и команда не пыталась повторить эксперимент. В 2022 году другая команда из Гарварда попыталась провести этот же эксперимент и обнаружила, что водород становится нестабильным после снятия давления.
Короче говоря, после разборки Юпитера 87% его массы вернулось бы в газообразное состояние и было бы потеряно в космосе. Хотя оставшиеся 13% всё ещё были бы доступны, вероятно, потребовалось бы уничтожить больше планет, чтобы обеспечить достаточное количество строительных материалов.
Уничтожение планет
Другой вопрос, поднятый критиками, касается этики разрушения планет для создания искусственной мегаструктуры. Действительно ли вид будет готов уничтожить планеты в собственной солнечной системе и навсегда изменить природу этой системы?
Это обсуждалось в исследовании 2023 года команд учёных из Индийского института астрофизики:
«Для постройки такой мегаструктуры нам потребовалось бы использовать все внутренние планеты и некоторые из внешних планет, тем самым уничтожив Солнечную систему в том виде, в каком мы её знаем сейчас, включая Землю с её уникальной биосферой. Это также противоречит принципу защиты планет – политике ООН, регулирующей сохранение тел Солнечной системы.
Кроме того, в нашей Солнечной системе гравитация Юпитера отклоняет астероиды, уменьшая вероятность столкновения с Землёй – драматическим примером в 1994 году была комета Леви-Шумейкера. Сфера (или даже кольцо) будет очень неустойчива к малым возмущениям (например, удару метеорита) и столкнётся с центральной звездой».
Более того, идея Дайсона была частично основана на теории Мальтуса, которая утверждает, что рост населения неизбежно превысит ресурсную базу вида. Эта теория, первоначально предложенная в 1798 году, на протяжении веков подвергалась критике со стороны учёных и исследователей за то, что не учитывала технологический прогресс и другие факторы, влияющие на динамику населения.
Например, периоды быстрого роста населения стимулировали технологические инновации, которые позволили людям более эффективно использовать свои ресурсы. Однако существует хорошо установленная связь между развитием и рождаемостью, когда повышение уровня жизни и доступ к медицинскому обслуживанию стабилизируют рост населения.
Согласно отчёту «Перспективы мирового населения 2022», составленному Департаментом ООН по экономическим и социальным вопросам, продолжающийся рост населения в мире в этом столетии будет сопровождаться снижением уровня рождаемости, что в итоге приведёт к состоянию равновесия к 2100 году.
Почему это не будет работать
Самый убедительный аргумент, почему сфера Дайсона не будет работать, заключается в том, что она подвергла бы своих обитателей природным опасностям.
Как указали учёные в недавнем интервью, это включало бы опасности изнутри:
«Внутри твёрдой сферы Дайсона не было бы гравитации, если только она не вращается, и только на экваторе гравитация будет обычной 1g. Освещение будет постоянным без ночей, а внутренняя поверхность с альбедо, подобным земному, будет отражать солнечный свет, делая небо намного ярче, чем на освещённой Земле.
Поскольку наше Солнце останется той же активной звездой – не будет защиты от солнечных вспышек, корональных выбросов массы, солнечного ветра и т. д., так как не будет естественного магнитного поля. И относительно скоро по космическим меркам наше Солнце начнёт расширяться в красного гиганта, поглощая всё вплоть до орбиты Юпитера».
Более того, заключение нашей звезды в сферу означало бы, что солнечный ветер, который обычно достигает края нашей системы, оказался бы в ловушке внутри оболочки. Там, где эти заряженные частицы встречаются с межзвёздной средой (МЗС), образуется гелиосфера.
Этот гигантский пузырь защищает Солнечную систему от галактического космического излучения. Следовательно, заключение Солнца означало бы, что результирующая оболочка подвергалась бы очень высоким дозам вредного излучения.
Кроме того, существует аргумент, что обширные ресурсы Солнечной системы имели бы лучшее применение, чем просто строительный материал. Например, огромные количества водорода и гелия-3 могли бы обеспечить обильную энергию для термоядерных реакторов и ядерных космических кораблей.
Лёд в Главном поясе астероидов, поясе Койпера и других местах мог бы обеспечить питьевой водой и помочь в борьбе с засухой. Между тем все силикатные минералы и металлы можно было бы добывать как строительные материалы, из которых создавать множество более мелких баз в космосе.
Значение для поиска внеземного разума
Учитывая недостатки и затраты, зачем развитому виду строить сферу Дайсона?
Неизбежно ли, что мальтузианское давление и потребность в энергии заставят вид уничтожить сами миры, из которых он произошёл и от которых зависит, только чтобы увеличить количество доступного жизненного пространства.
Разве развитие более совершенных технологий — как термоядерная энергия, нанотехнологии и массивные космические станции — не удовлетворило бы их потребности в достаточной степени? Дайсон ясно дал понять в своей оригинальной статье, что это был всего лишь мысленный эксперимент.
И хотя он был скуп на детали в оригинальной статье, позже прояснил, что имел в виду под «оболочкой» и «биосферой», сказав: «Твёрдая оболочка или кольцо, окружающие звезду, механически невозможны. Форма ‘биосферы’, которую я предвидел, состоит из свободной коллекции или роя объектов, движущихся по независимым орбитам вокруг звезды».
Тем не менее эти соображения могут иметь значение для будущих исследований SETI. Должны ли наши телескопы искать источники инфракрасного излучения, указывающие на присутствие «роёв» искусственных структур? Или они должны сосредоточиться на других потенциальных техносигналах, как побочные эффекты от оптических передач и направленной энергии, полосы спутников вокруг планеты и старые добрые радиоволны?
Всё, что мы знаем наверняка, это то, что поиск будет продолжаться! И что бы мы ни нашли, когда это найдём, оно полностью изменит правила игры. Как сказал знаменитый учёный и футурист Артур Кларк в предисловии к своему роману «2001: Космическая одиссея»:
«Это всего лишь художественное произведение. Истина, как всегда, будет намного страннее».