Сферы Дайсона: Типы и особенности

Я уже писал о гигантском астроинженерном проекте, который человечество должно будет осуществить в будущем — «Сфера Дайсона»: Ловушка для Солнца. Продолжаю эту тему, раскрывая некоторые подробности.

* * *

 Фримен Дайсон (Freeman Dyson) ненавидел тот факт, что гипотетическая инженерная мегаструктура, т.н. сфера Дайсона, была названа в его честь. На самом деле, по сей день он открыто приписывает происхождение этой идеи роману британского писателя Олафа Степлдона (Olaf Stapledon) «Создатель звёзд» (Star Maker), вышедшему в 1937 году, и желает, чтобы она была названа как-то иначе. Независимо от происхождения концепции или названия, сферы Дайсона остаются видным субъектом как в астрофизике, так и в инженерии.

В 2015 году звезда Табби (более формально известная как KIC 8462852) проявила очень любопытное изменение яркости, которое не могло быть объяснено наличием планеты или солнечного пятна. Спекуляции изобиловали тем, что это странное падение яркости, повторившееся еще несколько раз в разных величинах, якобы было процессом строительства звездной инженерной мегаструктуры. Хотя эти данные позже были объяснены облаком космической пыли, вращающейся вокруг звезды, это событие стало сигналом к поиску звездных мегаструктур, который телескоп «Кеплер» может обнаруживать даже лучше, чем экзопланеты.

Такие мегаструктуры были бы удивительным инженерным подвигом. По сути, Сфера Дайсона  —  это огромное инженерное сооружение, собирающее излучаемую энергию звезды, целью которого является питание энергией космической цивилизации в период её быстрого роста. Это, как правило, связано с достижением цивилизации Типа II по шкале Кардашёва, когда она собирает и использует практически всю выходную мощность своей домашней звезды (~10²⁶ Ватт). Для сравнения, вся наша планета в настоящее время использует в среднем около 1,8*10¹³ Ватт, что в 20 триллионов раз меньше. Такую мегаструктуру человечество смогло бы построить в течение следующих столетий, или, может быть, даже следующего тысячелетия.

В своем развитии идеи Дайсон представлял будущую человеческую цивилизацию, чьи энергетические потребности стремительно растут. По мере того, как наше энергопотребление приближалось бы к выходной мощности Солнца, стало бы необходимо, чтобы мы использовали весь потенциал нашей домашней звезды вместо того, чтобы пытаться получить эту энергию в другом месте. Дайсон предложил три основных типа Сфер Дайсона, которые могли бы служить для использования энергии Солнца.

Рой Дайсона (Dyson Swarm)

Кольцо Дайсона является первым шагом в процессе строительства Роя Дайсона.

Рой Дайсона (Dyson Swarm)  —  самая простая мегаструктура Дайсона. По сути, Рой Дайсона  —  это просто массив солнечных панелей, расположенных на орбите вокруг Солнца. Чтобы собрать заметный поток энергии, эти солнечные панели должны быть очень, очень большими. Большинство конструкций используют панели радиусом, который в несколько раз больше, чем расстояние от Земли до Луны.

Строительство такого Роя может начаться с одного спутника, передающего энергию при помощи беспроводной связи на Землю. Затем можно добавлять больше спутников, чтобы сформировать кольцо вокруг звезды, создав т.н. кольцо Дайсона. Система из нескольких колец на разных орбитах создаст Рой Дайсона. Проблема состоит в том, что пересекающиеся орбиты спутников будут создавать помехи друг другу.

Материал для этих структур можно брать из пояса астероидов. Учитывая радиус спутника 10⁷ метров (25 расстояний Земля-Луна) и толщину в несколько метров, то несколько сотен спутников могут быть построены из массы большого астероида, такого как Церера. Тысячи могут быть построены с использованием оставшихся тел пояса астероидов. Настоящая проблема здесь заключается в преоразовании астероидного вещества в материал, который способен как собирать солнечную энергию Солнца, так и противодействовать гравитационным напряжениям его собственной массы.

По отношению к огромной площади поверхности каждый спутник будет невероятно тонким, что делает такие структуры чрезвычайно хрупкими. Столкновения с кометами, астероидами и метеоритами могут нанести ущерб такой конструкции, и даже гравитационные взаимодействия с другими внутренними планетами (Меркурий и Венера) могут разорвать конструкцию на части. Необходимо также будет позаботиться о принятии решений относительно конкретных орбитальных конфигураций и о системе противоастероидной защиты.

Рои Дайсона было бы трудно использовать в качестве места жительства людей, потому что он практически не обеспечивал бы гравитации.

Также Рой Дайсона может быть построен на орбите Земли (до тех пор, пока он не будет затмевать нашу планету и существенно её охлаждать) и обеспечить источником солнечной энергии в больших, чем на поверхности объемах.

Пузырь Дайсона (Dyson Bubble)

Концепция неподвижного пузыря Дайсона.

Подобно Рою Дайсона, Пузырь Дайсона (Dyson Bubble) будет состоять из большого массива спутников вокруг звезды, собирающих солнечную энергию. Разница здесь в том, что вместо того, чтобы размещать эти спутники на орбите вокруг звезды, они размещаются на расстоянии, где давление солнечного ветра и излучения точно равно гравитационной силе между Солнцем на спутником. Это делает каждый спутник полностью неподвижным.

Это значительно уменьшает сложность конструкции, присущую Рою Дайсона, и позволяет значительно увеличить получаемую энергию. Теоретически цивилизация могла просто продолжать добавлять больше спутников на этом расстоянии до тех пор, пока вся звезда не будет покрыта, по существу создавая Оболочку Дайсона (Dyson Shell). Это также исключает возможность создания помех от других спутников, как в Рое Дайсона, поскольку каждый спутник остается неподвижным.

Создание Пузыря Дайсона, вероятно, было бы сложнее, чем Роя Дайсона, потому, что гравитационные взаимодействия и столкновения с космическими объектами были бы более серьезными для такого массива. В рое Дайсона существует почти нулевая вероятность того, что гравитационный эффект или удар сделают спутник совершенно бесполезным, выбив его из орбиты или на слегка эксцентричную орбиту. Однако в неподвижном Пузыре Дайсона даже очень небольшое взаимодействие может дестабилизировать точную конфигурацию системы, которая позволяет конструкции оставаться на месте. Такая мегаструктура потребует очень сложных и продвинутых систем ориентации.

Пузырь Дайсона, так же, как и Рой Дайсона, не может обеспечить среду обитания людей ввиду отсутствия необходимой силы гравитации. Это означает, что Пузырь Дайсона должен быть построен с учетом орбиты Земли, оставляя достаточно солнечного света для поверхности нашей планеты.

Оболочка Дайсона (Dyson Shell)

Оболочка Дайсона из фильма Star Trek.

Наиболее часто изображаемой мегаструктурой Дайсона в научной фантастике является Оболочка Дайсона (Dyson Shell). Она часто неправильно используется синонимично с термином «Сфера Дайсона». Оболочка Дайсона  —  это полная, твердая сфера, построенная вокруг всей звезды. Оболочка Дайсона имеет преимущество захватывать 100% солнечного излучения, что не могут делать Рои и Пузыри Дайсона. Оболчка также обеспечивают самую большую площадь поверхности и может служить местом обитания человека. Несмотря на то, что она наиболее известна и популярна в научной фантастике, на самом деле это наименее выполнимая из мегаструктур Дайсона.

Оболочка Дайсона потребует более твердого материала, который присутствует в Солнечной системе, чтобы сделать её толщиной хотя бы в сто метров. Но даже при такой толщине сама конструкция, скорее всего, не сможет выдержать силу сжатия собственной силы тяжести (если она построена с радиусом 1 астрономическая единица). Для того, чтобы Оболочка Дайсона имела искусственную гравитацию, она должна была бы вращаться вокруг Солнца со скоростью более чем на 1200 км/с, что составляет 0,4% от скорости света. Это эквивалентно полному обороту вокруг Солнца чуть более чем за неделю, в отличие от земного года. При этом нагрузки на эту мегаструктуру были бы невообразимыми. Кроме того, для постройки такого масштабного сооружения потребовалось бы разобрать несколько планет Солнечной системы.

Оболочка Дайсона была бы непрактична для нашего Солнца, но, возможно, вид, живущий вокруг меньшей звезды, такой как красный карлик класса M, сможет построить и получить все преимущества Оболочки Дайсона. Обитаемые расстояния от таких звезд часто допускают орбиты, обращение по которым происходит  в течение нескольких дней, что уже делает искусственную гравитацию потенциально возможной.

Поиск Сфер Дайсона

Если Звездные мегаструктуры являются естественным этапом в развитии цивилизации II типа, то их может быть сотни или даже тысячи по всей нашей Галактике. Если они существуют, они будут показывать некоторые присущие им свойства, которые мы могли бы идентифицировать, чтобы раскрыть их существование.

Одним из свойств Сфер Дайсона, которое было продемонстрировано случаем со звездой Табби, является затмение. Если мы наблюдаем массивные звездные затмения, которые предполагают наличие планеты по размерам больше Юпитера, но без связанного с этим гравитационного колебания, которое такая планета вызовет на домашней звезде, это может быть признаком того, что мы видим Рой Дайсона. Точно так же, если мы наблюдаем затмение, которое происходит очень медленно из-за большого темного тела, это может быть признаком того, что мы видим транзитные эффекты Пузыря Дайсона. 

Оболочки Дайсона будет труднее обнаружить. Поскольку они полностью поглощают весь видимый свет звезды, они кажутся невидимыми для любого традиционного телескопа. Тем не менее, мы можем обнаружить инфракрасное излучение от оболочки Дайсона.

Сбор энергии происходит на внутренней поверхности Оболочки Дайсона. Если какая-либо внеземная цивилизация не использовала бы всю собранную ею энергию, то внешняя поверхность оболочки достигла бы равновесной температуры и излучала бы в инфракрасном диапазоне при этой температуре. Это означает, что если мы обнаружим очень большое низкочастотное инфракрасное излучение, то мы можем предполагать, что это эффекты Оболочки Дайсона.

Вывод

Сфера Дайсона в любой форме представляла бы собой поворотный момент на пути цивилизации к становлению действительно межгалактической расы. Вопрос о том, является ли этически правильным полностью перестроить существующую миллиарды лет Солнечную систему для собственных целей, может быть обсужден уже в наши дни. Но одна вещь, в которой мы уверены, это то, что наши энергетические потребности как прогрессирующего вида растут и, похоже, не замедляются. Поскольку мы приближаемся к межзвездной стадии развития, возможно, потребуется использовать звезды, эти электростанции природы, чтобы подпитывать наши потребности в открытиях и исследованиях. Вселенная не нуждается в нас, чтобы выжить, но мы нуждаемся в этом сейчас и, вероятно, в далеком будущем.