Сфера и Кольца Дайсона: как найти в космосе братьев по разуму. Что такое сфера Дайсона

Возможно ли, что некие передовые цивилизации в нашей Галактике собирают энергию, исходящую от звезд своих систем с помощью невероятно развитых технологий? Подобная гипотеза существует и не исключена, — речь идет о так называемых «сферах Дайсона» — таинственных, искусственно созданных структурах невероятных размеров способных аккумулировать энергию звезд.

Сторонники использования солнечной энергии знают, что только малая часть этой энергии достигает Земли. Что, если человечество, как цивилизация, сможет собрать всю солнечную энергию? В этом случае нам потребуется то, что ученые называют сферой Дайсона или оболочкой Дайсона.

Физик и астроном Фриман Дж. Дайсон впервые исследовал эту идею и представил в виде теории в 1960 году. Двухстраничная статья Дайсона в журнале Science была озаглавлена как «Поиск искусственных звездных источников инфракрасного излучения». В статье он описал свои представления о сборе солнечной энергии и предположил, что другие развитые цивилизации, в случае их существования, могли бы использовать технологии сбора солнечной энергии в глобальных масштабах. По мнению Дайсона, поиск доказательств существования таких структур может привести к открытию развитых цивилизаций в других частях галактики.

Данная теория могла быть забыта, если бы в конце 2015 года не была обнаружена звезда, наблюдение за которой вызвало бурные споры у астрономов. Речь идет о , затухания которой и навели некоторых исследователей на возможность существования на ее орбите сферы Дайсона.

KIC 8462852, также известная как « », привлекла в бюджет миссии с помощью кампании на Kickstarter, которую возглавила Татехи Бояджиан, сделавшая открытие, более 100 тысяч долларов. Это позволило Бояджиан и ее коллегам провести обширные наблюдения за этой звездой при помощи в октябре 2016 года. Не смотря на то, что никаких поразительных открытий с тех пор сделано не было, выяснилось, что это не единичное явление. Примерно в это же время, осенью 2016 года, астрономы обнаружили вторую возможную сферу Дайсона.

Говорит ли это о том, что сферы Дайсона, находясь в области научной фантастики и теории в течение двадцатого века, могут быть действительно реальны? Что из себя представляют эти таинственные мегаструктуры и каковы возможности предполагаемой цивилизации, создающей их?

Первоначально некоторые ученые представляли сферу Дайсона в виде искусственно созданной сферы материи вокруг звезды. Однако, не смотря на то, что Дайсон использовал слово «оболочка», он не представлял сферу из энергетических коллекторов в виде единого целого и твердого покрытия. Вот что он написал в своей статье 1960 года, опубликованной в журнале Science:

«Технически невероятно сложно создать сплошную оболочку или кольцо, окружающее звезду. Форма «биосферы», которую я предусмотрел, состоит из множества объектов, движущихся по независимым орбитам вокруг звезды.
Сфера Дайсона может скажем находится на орбите Земли вокруг Солнца, то есть на расстоянии около 150 миллионов километров».

Интересная трактовка понятия «сферы Дайсона» была предложена на сайте SentientDevelopments:

«Оболочка вокруг звезды будет состоять из множества коллекторов. Согласно этой модели вся (или по крайней мере значительное количество) солнечной энергии будет попадать на принимающую поверхность, после чего ее можно будет использовать. Возможно, именно наличие подобных структур является логическим следствием долгосрочного выживания и эскалации энергетических потребностей технологической цивилизации».

Подобные теории не могли не вызвать интерес у писателей-фантастов. Сам Дайсон признался, что идею о мегаструктурах он заимствовал у научной фантастики еще до того, как представил свою теорию. Так, например, автор-фантаст Олаф Стэпледон впервые упомянул эту идею в своем научно-фантастическом романе 1937 года Star Maker, который Дайсон, по-видимому, читал и черпал оттуда свои идеи.

Каким же образом астрономы пришли к необходимости поиска доказательств существования сфер Дайсона, в пространстве галактики Млечный Путь? Еще до открытия KIC 8462852, многих астрономов постигло чувство разочарования в результате десятилетий поиска радиосигналов от интеллектуальных цивилизаций за пределами Земли. Необходимость в существовании новой стратегии давно назрела и начиная с 2013 года астрономы стали успешно использовать метод спектрального анализа для получения достоверной картины при наблюдении за космическими объектами.

Таким образом, согласно оригинальному определению и технической концепции, сфера Дайсона представляет собой совокупность орбитальных коллекторов в пространстве вокруг звезды развитой цивилизации. Основным предназначением сферы является сбор солнечной энергии на принимающую поверхность для последующего ее использования. По мнению, Фримана Дж. Дайсона, который в 1960 году стал первым ученым, изучающим эту концепцию, данный метод сбора энергии является неизбежным этапом эволюции любой развитой цивилизации.

нравится(8 ) не нравится(0 )

Представляющий собой относительно тонкую сферическую оболочку большого радиуса (порядка радиуса планетных орбит) со звездой в центре.

Предполагается, что технологически развитая цивилизация может применять подобное сооружение для максимально возможного использования энергии центральной звезды и/или для решения проблемы жизненного пространства.

Согласно теоретическим расчётам, для сооружения сферы Дайсона вокруг Солнца необходимо вещество с массой порядка массы Юпитера .

Поиск сфер Дайсона - перспективное направление программы SETI . Сооружение подобных масштабов может быть обнаружено существующими астрономическими средствами по его инфракрасному излучению с нетипичным спектральным распределением (таким образом, сфера Дайсона является всенаправленным мощным излучателем). Для этих целей планируется использовать телескоп SIRTF . Необнаружение сфер Дайсона является одним из подтверждений парадокса Ферми .

По признанию самого Фримена Дайсона, идею сферы он впервые обнаружил в фантастическом романе Олафа Стэплдона «Создатель звёзд ».

Критика [ | ]

Сфера Дайсона должна быть приведена во вращение вокруг центральной оси, чтобы центробежная сила уравновесила силу притяжения центрального светила. Однако, так как центробежная сила достигает максимума на экваторе и равна 0 на полюсах вращающегося тела, на полюсах сферы Дайсона ничто не уравновешивает силы притяжения центрального светила. В результате сфера будет неизбежно разрушена.

Модификации [ | ]

Кольцо Нивена

Для предупреждения угрозы саморазрушения сферы, идея изменения её конструкции была развита в нескольких вариантах:

Все такие варианты уже нельзя называть «сферой», но такое общее название сохраняется исторически.

Сфера Дайсона - вариант с поверхностями постоянного абсолютного значения вектора ускорения свободного падения (модель показана с сечением).

Звезда Табби [ | ]

Осенью 2015 года несколько астрономов опубликовали результаты исследований изменений светимости звезды KIC 8462852 (звезда Табби) созвездия Лебедя по данным космического телескопа Kepler в рамках программы поиска экзопланет . Аномальные мерцания звезды некоторые исследователи пытались объяснить попыткой строительства астроинженерного сооружения типа сферы Дайсона или другого набора гигантских объектов (например, коллекторов света), которые высокоразвитая

Но, как и всегда в истории, если хорошо поискать, то можно найти предшественников, излагавших нечто похожее, заложивших некие основы, опираясь на которые наш современник Дайсон смог предложить такую дерзновенную идею.

Сам Фриман Дайсон признавал, что вдохновился идеей из фантастического романа «Создатель Звезд» («The Star Maker», Olaf Stapledon), автор которого Олаф Стэпледон описал похожее сооружение (кольца вокруг звезд без планет и новые искусственные планеты) ещё в 1937 году.

Но и Олаф Стэпледон мог позаимствовать идею у ещё одного автора: Джон Десмонд Бернал (J. D. Bernal, «The World, the Flesh, and the Devil») в статье «Мир, Плоть и Дьявол» описывал сферические космические колонии, построенные из тонких оболочек вокруг перемещенных на новые орбиты астероидов. Он также неявно намекал, что когда таких колоний станет много, то тогда они будут перехватывать большую часть энергии нашего светила.

Основоположник космонавтики, наш соотечественник Константин Эдуардович Циолковский, тоже предлагал обитаемые космические колонии, но не в форме сферы, а в форме пирамиды или конуса, развернутые прозрачным основанием в сторону Солнца (с растениями и обитателями, расположенными на стенках конуса) – так называемые «эфирные города». Причём тут сфера Дайсона? А при том, что на приведенной ниже картинке из дневника Циолковского видно, что он изображал эти конусы именно объединенными в упорядоченную сеть (чем не часть сферы Дайсона?) с помощью неких балок или тросов, проходящих через центры этих объектов (слева внизу):

Помимо этих авторов американский фантаст Раймонд З. Галлун (Raymond Z. Gallun) тоже излагал нечто похожее.
Ещё в средневековье (XV век), итальянский мыслитель XV века Марсилио Фичино , предвидя возможности человека в будущем (интуитивно ощущая, что возможности человека развиваются на основе познания, т.е. точных знаний человека о законах природы) совершенно самоуверенно (для своего времени) написал:

Человек измеряет землю и небо… Ни небо не представляется для него слишком высоким, ни центр земли слишком глубоким… А так как человек познал строй небесных светил, то кто станет отрицать, что гений человека почти такой же, как у самого творца небесных светил, и что он некоторым образом мог бы создать эти светила, если бы имел орудия и небесный материал .

Поразительные слова, как бы предвещающие дерзания будущих покорителей космоса! - замечает Лев Любимов, автор той книги по искусству (и там оказывается пишут про астрономию!), где я прочел эти строки («Небо не слишком высоко» – золотой век итальянской живописи, серия «В мире прекрасного», Лев Любимов, Москва, Детская литература , 1979 ).

Надо заметить, что хотя сфера Дайсона это не аналог светила - звезды или планеты, но она в некотором смысле использует первое и заменяет второе. Под сферой Дайсона можно понимать не только сферу, но любую конструкцию. Главное, чтобы эта конструкция была масштабной и перехватывала значительную часть излучения Солнца (а не тысячные доли процента, как существующие в нашей системе планеты). Конечно, итальянец Марсилио Фичино в XV веке не мог выдумать концепцию сферы Дайсона (ему не хватало знаний) и просто мечтал о создании подобия природных небесных тел, но тем не менее он смог обозначить в своем коротком тексте три из четырех основных проблем по созданию цивилизацией сферы Дайсона:

1. Метод создания – каким "некоторым образом " можно создать сферу, радиусом 50-250 миллионов километров?
2. Средства создания – какими "орудиями " можно создавать такую сферу, чтобы не навредить себе и всей своей системе?
3. Материал для создания – тот самый "небесный материал ", который определяет своим наличием, количеством и качеством саму возможность создания такой сферы (а также методы и скорость строительства).
4. Место расположения – которое нужно определить заранее, до строительства, чтобы потом не оказалось, что наличие сферы в этом месте только усложняет жизнь цивилизации или просто опасно для своей системы.

Начнем с последней проблемы – с места расположения сферы, так как это самое важное решение, заметно влияющее на последующие. И ответ на вопрос о размещение сферы напрямую зависит от назначения сферы.

Классификация по расположению

Вариант А: Если нам нужна сфера Дайсона просто для получения максимума энергии от Солнца (без учета сохранения освещенности планет, особенно освещенности Земли), то было бы логичнее расположить сферу как можно ближе к Солнцу.

Возникают три основные проблемы:

Проблема гравитационной устойчивости и стабильности - сфера не должна падать на Солнце, ломаться или деформироваться от гравитации Солнца, а также от гравитации ближайших планет (Меркурия и Венеры).
Проблема охлаждения сферы - сфера не должна плавиться или деформироваться от энергии Солнца.
Если проблема охлаждения решена, то остается проблема переноса массы с Солнца на сферу – солнечный ветер и коронарные выбросы будут достигать поверхности сферы, повреждать её, оседать на ней, утяжелять и заряжать её.

Вариант Б: Если нам нужна сфера как поверхность обитания для людей (со всей необходимой инфраструктурой, атмосферой, почвой, растениями и животными), то сфера должна быть прочной и располагаться там, где свет Солнца имеет примерно ту же интенсивность что и на поверхности Земли - т.е. на расстоянии орбиты Земли или даже дальше (чтобы скомпенсировать отсутствие или слабость атмосферы, магнитосферы, нужных для защиты от излучения Солнца).

Возникают три новые основные проблемы (выше изложенные проблемы Варианта А не исчезают, но уходят на второй план):

Стабильность – сфера не должна задевать орбиты других планет (например Земли), не должна сильно притягиваться ими. Поэтому она должна быть далеко вне орбиты Земли (на 30-50 млн. км или на 0.2-0.3 а.е.).
Прочность и толщина сферы – вопрос в том, достаточно ли прочная поверхность сферы: помимо технологии во многом это определяется составом и качеством материала Солнечной системы.
Наличие материала – если его недостаточно, то и строить такую сферу не имеет смысла.

Вариант В: Если нам нужна сфера с тонкой примитивной (легко ремонтируемой) поверхностью, перехватывающей свет от Солнца, но не обязательно твердой (выдерживающей почву, людей), зато с максимальной площадью поверхности и с минимальным потоком энергии (чтобы не волноваться за перегрев сферы), то сфера должна располагаться где-то ещё дальше от светила.

Для такой сферы тоже актуальны три основные проблемы (остальные проблемы менее важны):

Наличие материала – для такой огромной сферы его может и не хватить.
Стабильность сферы - остается проблемой, но не такой срочной.
Столкновения с астероидами, кометами и т.п. - проблема серьезнее, чем для ранее изложенных вариантов, так как поверхность такой сферы в единицу времени пересекают гораздо больше мелких небесных тел.

Классификация по назначению

Из беглого рассмотрения местоположения сферы Дайсона очевидно, что многое также определяется назначением сферы:

Назначение 1: Тесный энергетический кокон вокруг звезды

Как можно ближе к звезде создается вращающаяся (необязательно сплошная) прочная охлаждаемая оболочка с уловителями (а также преобразователями и излучателями) энергии - чтобы получить максимум энергии при минимальных объемах строительства. Как близко к Солнцу можно построить такую сферу? Если принять неопасным разогрев оболочки Солнцем до 1000 К (без специального охлаждения), то радиус будет равен около 23 млн км, что лежит внутри орбиты Меркурия (радиус его орбиты от 40 до 60 млн км) - эти расчеты взяты со списка ответов на типичные вопросы по сфере Дайсона .

Вся полученная световая энергия преобразуется в другую (например, в электрическую) и потом либо передается куда-то (например, лазером или радиоволной), либо применяется на месте. Состояние, освещенность, стабильность орбит планет и даже само их существование в расчет не принимаются – если нужно, то они разбираются на материалы для создания сферы.

Несмотря на некоторую экстремальность такого назначения сферы (нестабильность сферы надо постоянно парировать выпуском газов/солнечного ветра с разных направлений, или работой двигателей на внешней/внутренней оболочке сферы) и проблему прочности (для нашего уровня развития главной проблемой является прочности любых современных материалов) эта конструкция вполне оправдана для цивилизаций высокого уровня. Особенно если таким способом осваивается не своё светило, а чужая звезда. Это ведь не колыбель цивилизации, где разбирать или заслонять от светила планеты не поднимется рука (просто из уважения к истории своего мира), не говоря уже о нарушении стабильности орбит других планет при разборке даже одной планеты. Если такая чужая звезда имеет неудачный (с точки зрения цивилизации) спектр, не обладает пригодными для освоения и обитания планетами, то и жалеть такую систему со звездой никто особо не будет: планеты пойдут на создание сферы.

Конструкция такого вида особенно оптимальна для белых карликов : эти неактивные, медленно (миллиарды лет) остывающие остатки звезды светят стабильно: температура их поверхности остывает со средней скоростью около 10000 K за 1 миллиард лет - эта оценка основана на разнице температур нового белого карлика: от 90 000 К (оценка по линиям поглощения) или 130 000 К (оценка по рентгеновскому спектру), до температур ниже 4000 К (так называемый черный карлик) для некоторых белых карликов, остывших за 13 миллиардов лет (время жизни Вселенной). Белые карлики светят без вспышек и выбросов коронарной массы, они невелики по размерам и по светимости - вокруг них можно сделать сферу радиусом в десятки раз меньше (даже менее 1 млн. км), чем вокруг активного Солнца или других звёзд схожего размера. Но проблема прочности сферы остается.

Fin = G * M * m / R^2
где G = 6.674 *10^-11 [м^3 / (кг * сек^2) ] это константа гравитации,
M = 2 * 10^30 кг это масса Солнца,
m = 1 кг это пробная масса единицы площади сферы, а R - радиус сферы 190 млн. км
= 6.674 * 1.9885 * 10^(30 - 11) / 190 * 10^9 * 190 * 10^9 = 3.6768 * 10^19 / 10^22 = 3.68 * 10^-5 [кг*м/сек^2] = 0.04 миллиньютона.

Это вроде ерунда, какие-то мизерные доли от силы тяжести на Земле (9.8 ньютона действуют на пробный килограмм на поверхности нашей планеты). Но проблема в том, что ещё на этот килограмм оболочки давит вес всех других килограммов, составляющих сектора купола сферы снизу и сверху (см. наглядный рисунок ниже).

Да, их вес на таком расстоянии от Солнца минимален, те самые 0.04 миллиньютона, но эту мизерную силу надо векторно умножить на миллионы этих килограмм, составляющих массу сектора купола. Результирующая сила зависит от толщины оболочки и даже для сантиметровых толщин она просто ужасна (так как размеры и масса сектора купола огромна).

Если создать вращающуюся сферу (при сборке сферы из элементов, только так и надо начинать: все элементы экваториального кольца должны предварительно выводится на стабильную орбиту, что требует вращения вокруг светила со скоростями близкими к орбитальным скоростям планет: 30 км/сек для Земли или около 25 км/сек для орбиты за земной, но до марсианской), то это вращение поможет собранной жесткой оболочке сферы только на экваторе и рядом с ним. Там центробежное ускорение (сила инерции) равно:

Fout = m * V^2 / R
= 25 * 25 * 10^6 / 200 000 000 = 625 / 200 = 3.125 [кг*м/сек^2] = 3.1 Ньютон (меньше земного тяготения в 3 раза).

Но это ускорение не уменьшает силу притяжения к светилу на полюсах такой сферы, и не особо помогает на средних широтах. Проблема с давлением огромной массы секторов верхнего и нижнего куполов на быстро вращающийся экватор сферы остается. Остается и проблема недостатка ресурсов: ученый Андерс Сандберг оценивает , что в нашей Солнечной системе находится 1,82х10^26 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 материала. Если выкинуть материал ядр газовых гигантов, которые, сильно мягко говоря, труднодоступны, то внутренние планеты отдельно могут предоставить лишь 11,79х10^24 кг вещества, что хватит для строительства оболочки Дайсона радиусом 1 а.е. с массой всего 42 кг/м2 и около сантиметровой толщины.

Вывод: Данное назначение сферы Дайсона имеет смысл только для идеалистических мечтаний о мощи цивилизации. Современные материалы не позволяют создать такую сферу. Кроме того никакой материал и никакие новые технологии не изменят того факта, что внутренняя поверхность сферы не пригодна для обитания в чистом виде (нужна ещё внутренняя прозрачная сфера для удержания атмосферы от падения вниз к светилу), а сама сфера опасно нестабильна. И главное: материала в нашей системе просто не хватит.

Назначение 3: Легкие концентраторы энергии звезды

Такие сферы могут быть как дальше, так и ближе земной орбиты. Главное то, что их назначение это не проживание максимального количества людей на их внутренней поверхности, а использование излучаемой Солнцем энергии, пусть и не 100% этой энергии. Эти допущения по назначению открывают широкие возможности по формам и типам конструкций. Можно выбрать ту, которая доступна текущим технологиям, не замахиваясь на нереальное. Например можно отойти от сферы к отдельным элементам, которые получают и перерабатывают энергию и посылают её дальше потребителям.

Можно рассмотреть и элементы без преобразования энергии, которые просто посылают отраженный солнечный свет в нужном направлении (упоминается ). Набор таких нежестких колец (из элементов роя) с разными радиусами и углами к плоскости эклиптики может в принципе перехватывать даже больше 50% солнечного излучения, даже если кольца не сплошные (не жесткие) и между самими кольцами есть зазоры.

Да, это не сфера в геометрическом смысле слова, но вполне практичная альтернатива сфере. Главное - это отказаться от самой сферы - как говорится: Вам шашечки или доехать надо?

Вывод: данное расплывчатое назначение сферы Дайсона придает большую гибкость всей концепции и позволяет рассмотреть несколько форм и типов конструкций, с разными исходными задачами и с разными результатами, а также с разными потенциалами совершенствования и модернизации.

К такому же выводу пришел и футурист Стьюарт Армстронг, выбрав в качестве естественной перспективы для цивилизации Рой Дайсона (Dayson Swarm), построенный из материала Меркурия и расположенный примерно на его орбите: смотри то самое видео выше (с 2:50 по 4:50) на английском, с рассуждениями про разработку гематита (химическая формула Fe2O3) на Меркурии, про отражатели и коллекторы света. Этот футуристический план по «разработке всего Меркурия до конца» был замечен и у нас в официально-скандальной прессе и на сайте

Классификация типов конструкций

Так называемый I тип сферы Дайсона это не сплошная условная сфера - Рой Дайсона (Dayson Swarm) - из отдельных, никак между собой не связанных элементов, движущихся по своим стабильным орбитам, на более-менее постоянном удалении от центрального светила. Орбиты регулируются тягой любых двигателей на самих элементах.

Так называемый II тип сферы Дайсона это не сплошная условная сфера из отдельных несвязанных элементов, парящих на постоянном удалении от центрального светила за счет баланса силы притяжения и силы давления света/солнечного ветра. Элементы названы статитами (типа стабильные сателлиты). Баланс этих сил (притяжения и давления света) достижим только при очень легком материале: с очень легкой прочной оболочкой: 0.78 грамм на м2, что недостижимо для современных технологий.

Так называемый III тип сферы Дайсона это простая и сплошная сфера в виде легкого баллона, так называемый «Пузырь Дайсона». Баланс сил основан на равенстве давлении света гравитации, как и тип II, но со сплошной оболочкой, очень легкой и тонкой: 0.78 грамм на м2, что недостижимо для современных технологий – для такой сферы радиусом 1 а.е. достаточно материала массой в один крупный астероид Паллада: 2.17 на 10^20 кг.

Отбрасывая II и III тип сферы Дайсона из-за отсутствия на данный момент (и в обозримом будущем) подобных материалов мы снова приходим к рою Дайсона - к сфере I типа, просто потому, что она реальнее всех остальных типов .

Есть и другие, экзотичные типы конструкций (к примеру ), но все они ещё сложнее и нереальнее.

Сфера Дайсона начинается с Кольца

Рассмотрим сам процесс создания Сферы Дайсона, точнее Роя Дайсона в виде Кольца.

С чего техническая цивилизация начнет монтаж любой сферы Дайсона? С вывода отдельных элементов сферы на орбиту. Только элементы сферы Дайсона, двигающиеся по стабильной круговой орбите с нужным радиусом, могут быть собраны вместе (без жесткого соединения, с зазорами), чтобы постепенно шаг за шагом сформировать… увы, не сферу, а только кольцо, так как чем выше или ниже элемент над плоскостью кольца, тем сложнее его поставить на стабильную орбиту, не пересекающую уже созданное кольцо и не сильно удаленное от него по радиусу. Хотя есть прикидки, как сделать много индивидуальных непересекающихся орбит для элементов. Например, красивый вариант с разными восходящими узлами орбиты и перицентрами (но с одинаковым наклонением и радиусом) - этот вариант Роя с максимальным количествои индивидуальных орбит в виде «кружевного» тора под названием Jenkins Swarm (Рой Дженкинса) использован для картинки на обложке этой статьи.

Монтаж скорее всего начнется со сборки части кольца Дайсона в плоскости эклиптики. Ведь вне плоскости эклиптики меньше астероидов и другого материала для создания элементов кольца. А в плоскости эклиптики и материала больше, и доставить на нужный радиус этот материал легче, и придать ему (или уже построенному элементу кольца) нужную орбитальную скорость проще. Назовем такую нежесткую конструкцию из отдельных близко расположенных элементов роя Кольцом Дайсона (так как Кольцо Нивена по определению обязательно жесткое).

После создания гибкого (состоящего из несвязанных или слабо связанных элементов) кольца заданного радиуса, с накоплением опыта и усовершенствованием технологии, цивилизации можно создавать и другие кольца, уже поперек плоскости эклиптики и под углом к ней, но эти кольца должны быть с заметно увеличенным или уменьшенным радиусом, чтобы не задевать первоначальное кольцо.

Это всё по первой части статьи: история идеи бегло рассмотрена и выбран оптимально-реализуемый вариант сферы Дайсона.

Во рассматривается метод строительства Кольца Дайсона на основе роя из стандартных, автономных элементов. Рассчитываются параметры такого Кольца для Солнечной системы с двумя вариантами расположения Кольца: до орбиты Земли (за орбитой Венеры, поближе к Солнцу) и за орбитой Земли (до орбиты Марса). Также подробно рассматривается стандартный элемент такого Кольца, его геометрические и весовые параметры и возможные функции.

В раскрываются цели построения такого Кольца, способы его применения и способы нестандартного применения отдельных автономных элементов Кольца вне самой орбиты Кольца. Также обсуждается проблема обнаружения такого гигантского сооружения извне.

Теги:

Сфера Дайсона
рой Дайсона
Кольцо Дайсона

Добавить метки

Сфера Дайсона — это предложенная Фрименом Дайсоном в 1959 году огромная гипотетическая искусственная структура. Она нужна для того, чтобы перехватывать огромное количество солнечной энергии. Дайсон подсчитал, что если нынешние, прогрессирующие по экспоненте темпы роста потребления энергии продолжаться, человеческая раса достигнет критической точки развития в течение следующих двух-трех тысячелетий. На этом этапе все невозобновляемые источники энергии, такие как ископаемое и ядерное топливо, будут исчерпаны. И даже возобновляемые источники, используемые в масштабах всей планеты, не смогут справиться с ее огромным дефицитом.

Ученым известно, что Земля перехватывает менее одной миллиардной доли от общего количества солнечного излучения. Чтобы обеспечить будущий рост, человечеству придется использовать гораздо больше энергии . Это можно было бы сделать с использованием сферы Дайсона: сферической оболочки толщиной 2-3 метра. Она должна быть сфокусирована на Солнце. И вращаться вокруг него на расстоянии примерно в два раза больше расстояния от нашей звезды. Материал для построения сферы, предположил Дайсон, можно было бы получить в результате «разборки» планеты и использования минералов и металлов из его недр.

Проблемы создания сферы Дайсона

После публикации предложения Дайсона в Science появилось несколько писем. В них говорилось, что сплошная околозвездная сфера будет подвержена очень серьезным воздействиям и будет нестабильна. Дайсон ответил, что на самом деле он предполагал, что это будет свободная конструкция из более чем 100 000 объектов. Которые будут летать по независимым орбитам в слое толщиной около 1 миллиона километров.

Такое фрагментированное расположение объектов в конструкции можно назвать сферой Дайсона I типа. А сплошную конструкцию — типа II. На самом деле лишь последний вариант впоследствии получил наибольшую известность. Это произошло благодаря ряду научно- произведений, сюжеты которых были построены вокруг этой темы. Это были такие произведения, как романы Роберта Силверберга. «Через миллиард лет» , Боба Шоу «Орбитсвилль» , и Джека Уильямсона «Стена Вокруг Звезды». Сфера типа II также упоминается в сериале «Звездный путь: следующее поколение».

Искусственная гравитация

Чтобы создать искусственную гравитацию сфера должна была бы вращаться. Но требуемая скорость вращения создавала бы экстремальные напряжения в оболочке. Эти напряжения стремились бы деформировать ее в сплющенный сфероид. И ни один известный материал не смог бы противостоять им.

Даже если структурная целостность оболочки и была бы достигнута, только экваториальные области были бы пригодны для постоянного проживания. По двум причинам: 1. Воздух внутренней биосферы будет стремиться собираться на экваторе, ведь только здесь будет достигнут максимальный уровень искусственной гравитации. 2. «Притяжение» уменьшалось бы по мере увеличения расстояния от экватора, пока не становилось нулевым на полюсах. Кроме того, сфера типа II будет неустойчивой. Так как даже малейшее столкновение, скажем, с астероидом или кометой, приведет к дрейфу структуры и, в конечном итоге, столкновению с Солнцем.

С другой стороны, сфера Дайсона типа I представляется вполне достижимым к постройке объектом. И, возможно, не только человеческая раса в конечном итоге построит нечто подобное. И у других цивилизаций, более продвинутых, чем наша, такая структура скорее всего уже есть. Дайсон обратил на это внимание и предположил, как такие структуры уже можно обнаружить в межзвездных просторах. Теоретически сфера Дайсона должна поглощать большую часть видимого и более коротковолнового излучения от звезды-хозяина. И повторно переизлучать его часть в виде инфракрасного излучения. Этот инфракрасный свет, по сути, был бы аналогичен тому, который излучают протозвезды.

Как найти сферу Дайсона?

Искусственный характер объекта мог бы быть определен другими способами. Дайсон говорит: «В частности, можно было бы обратить внимание на нерегулярные вариации света из-за того, что звездный свет как бы проходит сквозь щели в занавеске, а также на рассеянные электромагнитные поля и радиошумы, создаваемые крупномасштабными электрическими событиями …» В поисках предполагаемых сфер Дайсона вокруг звезд было проведено несколько исследований.

Есть еще один тип сферы Дайсона — так называемый пузырь Дайсона. В нем оболочка была бы очень тонкой и не вращающейся. Она состояла бы из солнечных парусов, отражающих свет на некие коллекторы для использования во внеземных средах обитания. Вся масса структуры была бы примерно такой же, как у или большого астероида.

Представляющий из себя относительно тонкую сферическую оболочку большого радиуса (порядка радиуса планетных орбит) со звездой в центре. Предполагается, что развитая цивилизация может использовать подобное сооружение для полной утилизации энергии центральной звезды и/или для решения проблемы жизненного пространства.

Согласно теоретическим расчётам, для сооружения сферы Дайсона необходимо вещество с массой порядка массы Юпитера .

Поиск Сфер Дайсона - перспективное направление программы SETI . Сооружение подобных масштабов может быть обнаружено существующими средствами по его инфракрасному излучению с нетипичным спектральным распределением (таким образом, Сфера Дайсона является всенаправленным мощным излучателем). Для этих целей планируется использовать телескоп SIRTF.

Варианты реализации сферы Дайсона

К настоящему времени неизвестно о практических реализациях сферы Дайсона; по крайней мере, у человечества нет реализаций этой идеи.

Эта теория прямо пересекается и не противоречит теории «чёрной дыры », в том числе случаю чёрной дыры с выбросом энергии со стороны полюсов.

Критика

Сфера Дайсона должна быть приведена во вращение вокруг центральной оси, чтобы центробежная сила уравновесила силу притяжения центрального светила. Однако, так как центробежная сила достигает максимума на экваторе, и равна 0 на полюсах вращающегося тела, то на полюсах сферы Дайсона ничто не уравновешивает силы притяжения центрального светила. В результате сфера будет неизбежно разрушена.

Для предупреждения данной угрозы, идея сферы Дайсона была развита в нескольких вариантах:

Жесткое кольцо относительно небольшой ширины (порядка процентов диаметра) - см. Кольцо Нивена .
Жесткое экваториальное кольцо, с почти замкнутыми поверхностями от экватора до полюсов, но изогнутые по эквипотенциальным поверхностям гравитационного поля звезды. Такая поверхность напоминала бы что-то вроде форсунки , с тем, чтобы наименьшая скорость вращения была на максимальном расстоянии от звезды, где ненулевая скорость вращение могла бы уравновесить слабую гравитацию центра. Полюса в такой конструкции - разомкнуты.

Все такие варианты уже нельзя называть «сферой», но такое общее название сохраняется исторически.

Сфера Дайсона - вариант с эквипотенциальными поверхностями (модель показана с сечением)

Сферы Дайсона в художественных произведениях

По признанию самого Фримена Дайсона, идею сферы он впервые обнаружил в фантастическом романе Олафа Стэплдона «Создатель звёзд».
Мир-Кольцо из одноимённого романа Ларри Нивена представляет собой своеобразный компромисс между сферой Дайсона и обычной планетой.
Борьба землян с инопланетной цивилизацией, использующей Сферу Дайсона, описана в романах Роджера Макбрайда Аллена «Кольцо Харона» и «Разбитая Сфера».
Упоминается в цикле романов Дэна Симмонса «Гиперион ».
Также подробное описание сферы Дайсона встречается в произведениях Андрея Ливадного , серия книг «История Галактики».
Упоминание о сфере Дайсона встречается в одном из эпизодов саги «Звездный путь: Следующее поколение » в эпизоде 6-го сезона «Древность».
Первые этапы построения сферы Дайсона описаны в трилогии «Золотой век» Джона Райта
Действие повести «Консервный нож» Василия Головачева происходит в звездной системе, заключенной в Сферу Дайсона, и касается реализации и использования этого гипотетического сооружения. А также в произведении «Черный человек»
В книге Михаила Ахманова «Странник пришедший издалека» Сфера Дайсона является ключевой целью работы цивилизации Сархов и носит название «Великий план Сархата»
В клипе «Неизбежность» группы «Complex Numbers » сфера Дайсона используется в качестве местообитания потомков современного человека
В серии романов Николая Владленовича Басова «Мир Вечного Полдня» действие происходит в сфере Дайсона, куда перенесён город с Земли.
Конечный пункт романа Роберта Силверберга «Через миллиард лет» - сфера Дайсона, построенная расой инопланетян-негуманоидов, исследовавших галактику задолго до рождения человечества.
Также сфера Дайсона упоминается в повести «Кто там?» Бориса Штерна . Сфера рассматривается как способ изоляции космической аномалии.