Esfera de Dyson

renderização 3D de uma esfera Dyson utilizando grandes painéis orbitando

Uma esfera de Dyson é uma megaestrutura hipotética que envolve uma estrela e captura uma grande porcentagem de sua produção de energia solar. O conceito é um experimento mental que tenta imaginar como uma civilização espacial atenderia a seus requisitos de energia uma vez que esses requisitos excedam o que pode ser gerado apenas com os recursos do planeta natal. Como apenas uma pequena fração das emissões de energia de uma estrela atinge a superfície de qualquer planeta em órbita, a construção de estruturas ao redor de uma estrela permitiria que uma civilização colhesse muito mais energia.

A primeira imagem moderna de tal estrutura foi de Olaf Stapledon em seu romance de ficção científica Star Maker (1937), no qual ele descreveu "todo sistema solar... cercado por um gaze de armadilhas de luz, que concentrava a energia solar que escapava para uso inteligente". O conceito foi posteriormente explorado pelo físico Freeman Dyson em seu artigo de 1960 "Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation". Dyson especulou que tais estruturas seriam a consequência lógica das crescentes necessidades de energia de uma civilização tecnológica e seriam uma necessidade para sua sobrevivência a longo prazo. Esferas detectadas em pesquisas astronômicas podem ser um indicador de vida extraterrestre, com diferentes tipos de esfera e sua capacidade de coleta de energia correspondendo a níveis de avanço tecnológico na escala de Kardashev.

Desde o artigo de Dyson de 1960, muitos designs variantes envolvendo a construção de uma estrutura artificial ou uma série de estruturas para abranger uma estrela foram propostos na engenharia exploratória ou descritos na ficção científica, geralmente sob o nome de "Esfera de Dyson& #34;. Essas propostas não se limitaram a usinas de energia solar, muitas envolvendo habitação ou elementos industriais. Representações fictícias geralmente descrevem uma casca sólida de matéria envolvendo uma estrela - um arranjo considerado implausível pelo próprio Dyson. Em maio de 2013, no Starship Century Symposium em San Diego, Dyson repetiu seus comentários de que gostaria que o conceito não tivesse o seu nome.

Origens

Freeman Dyson em 2005

O físico e matemático Freeman Dyson é considerado o primeiro a formalizar o conceito do que ficou conhecido como a esfera de Dyson em seu artigo Science de 1960 "Search for Artificial Stellar Sources of Infra -Radiação vermelha". Dyson teorizou que, à medida que aumentassem os requisitos de energia de uma civilização tecnológica avançada, chegaria um momento em que seria necessário colher sistematicamente a energia de sua estrela local em grande escala. Ele especulou que isso poderia ser feito por meio de um sistema de estruturas (que ele chamou de concha) orbitando a estrela, projetada para interceptar e coletar sua energia. Dyson não detalhou como tal sistema poderia ser construído, mas argumentou que, como a estrutura resultaria na conversão em larga escala da luz das estrelas em radiação infravermelha distante, uma busca terrestre por fontes de radiação infravermelha poderia identificar estrelas que sustentam vida inteligente..

No entanto, Dyson não foi o primeiro a avançar com essa ideia. Ele foi inspirado no romance de ficção científica de 1937 Star Maker, de Olaf Stapledon.

Viabilidade

Embora essas megaestruturas sejam teoricamente possíveis, a construção de um sistema estável de esferas de Dyson está muito além da capacidade de engenharia da humanidade. O número de embarcações necessárias para obter, transmitir e manter uma esfera de Dyson completa excede as capacidades industriais atuais. George Dvorsky defendeu o uso de robôs autorreplicantes para superar essa limitação em um prazo relativamente curto. Alguns sugeriram que tais habitats poderiam ser construídos em torno de anãs brancas e até pulsares.

Variantes

Em relatos fictícios, o O conceito de Dyson-esfera é frequentemente interpretado como uma esfera artificial e oca de matéria em torno de uma estrela. Essa percepção é baseada em uma interpretação literal do artigo original de Dyson de 1960. Em resposta a cartas solicitadas por alguns artigos, Dyson respondeu: "Uma concha ou anel sólido envolvendo uma estrela é mecanicamente impossível." A forma de 'biosfera' que eu imaginei consiste em uma coleção solta ou enxame de objetos viajando em órbitas independentes ao redor da estrela".

Enxame de Dyson

A anel de Dyson— a forma mais simples do enxame de Dyson — à escala. Orbit é 1 UA no raio, os coletores são 1.0×10.⁷ km de diâmetro (10 Gm ou ≈25 vezes a distância da Terra-Moon), espaçado 3 graus de centro para centro em torno do círculo orbital.

Um arranjo relativamente simples de vários anéis Dyson do tipo retratado acima, para formar um enxame Dyson mais complexo. Os raios orbitais dos anéis são espaçados 1.5×10.⁷ km em relação uns aos outros, mas o raio orbital médio ainda é 1 UA. Os anéis são girados 15 graus em relação uns aos outros, em torno de um eixo comum de rotação.

A variante mais próxima de Dyson& A concepção original de #39;é o "enxame de Dyson". Consiste em um grande número de construções independentes (geralmente satélites de energia solar e habitats espaciais) orbitando em uma formação densa ao redor da estrela. Essa abordagem de construção tem vantagens: os componentes podem ser dimensionados adequadamente e podem ser construídos de forma incremental. Várias formas de transferência de energia sem fio podem ser usado para transferir energia entre os componentes do enxame e um planeta.

Desvantagens resultantes da natureza da mecânica orbital tornaria o arranjo das órbitas do enxame extremamente complexo. O arranjo mais simples é o anel de Dyson, no qual todas essas estruturas compartilham a mesma órbita. Padrões mais complexos com mais anéis interceptariam mais da saída da estrela, mas resultaria em algumas construções eclipsando outras periodicamente quando suas órbitas se sobrepõem. Outro problema potencial é que a perda crescente de estabilidade orbital ao adicionar mais elementos aumenta a probabilidade de perturbações orbitais.

Essa nuvem de coletores alteraria a luz emitida pelo sistema estelar (veja abaixo). No entanto, a interrupção em comparação com o espectro emitido natural geral de uma estrela provavelmente seria muito pequena para os astrônomos da Terra observarem.

Bolha de Dyson

A bolha de Dyson: um arranjo de estatísticas em torno de uma estrela, em um padrão não-orbital. Desde que um satélite tenha uma linha de visão desobstruída para sua estrela, ele pode pairar em qualquer ponto no espaço perto de sua estrela. Este arranjo relativamente simples é apenas um de um número infinito de configurações de estatísticas possíveis, e é significado como um contraste para um enxame Dyson apenas. Os estatitas são retratados como o mesmo tamanho que os coletores retratados acima, e dispostos a uma distância uniforme de 1 UA da estrela.

Um segundo tipo de Dyson esfera é a "bolha de Dyson". Seria semelhante a um enxame de Dyson, composto de muitas construções independentes e também poderia ser construído de forma incremental.

Ao contrário do enxame Dyson, as construções que o compõem não estão em órbita ao redor da estrela, mas seriam estatitas - satélites suspensos pelo uso de enormes velas de luz usando pressão de radiação para neutralizar a força da gravidade da estrela. Tais construções não estariam em perigo de colisão ou de eclipsar umas às outras; eles seriam totalmente estacionários em relação à estrela e independentes um do outro. Porque a razão da pressão de radiação para a força da gravidade de uma estrela é constante, independentemente da distância (desde que o satélite tenha uma linha desobstruída). of-sight para a superfície de sua estrela), esses satélites também podem variar sua distância de sua estrela central.

A praticidade dessa abordagem é questionável com a ciência de materiais moderna, mas ainda não pode ser descartada. Um satélite 100% reflexivo implantado ao redor do Sol precisaria ter uma densidade total de 0,78 gramas por metro quadrado de vela. Para ilustrar a baixa massa dos materiais necessários, considere que a massa total de uma bolha desse material de 1 AU de raio seria cerca de 2,17×10²⁰ kg, que tem aproximadamente a mesma massa do asteróide Pallas. Outra ilustração: Papel de impressão regular tem um densidade de cerca de 80 g/m².

Concha Dyson

Um diagrama de corte de uma concha Dyson idealizada, uma variante no conceito original de Dyson, com um raio de 1 UA

A variante da esfera de Dyson mais frequentemente retratada na ficção é a "concha de Dyson": uma concha sólida e uniforme de matéria ao redor da estrela. Tal estrutura alteraria completamente as emissões da estrela central e interceptaria 100% da produção de energia da estrela. Tal estrutura também forneceria uma imensa superfície que muitos imaginam que seria usada para habitação, se a superfície pudesse ser habitável.

Uma esfera de Dyson de casca esférica no Sistema Solar com um raio de uma unidade astronômica, de modo que a superfície interior recebesse a mesma quantidade de luz solar que a Terra por unidade de ângulo sólido, teria uma área de superfície de aproximadamente 2,8 ×10¹⁷ km² (1,1× 10¹⁷ sq mi), ou cerca de 550 milhões de vezes a área da superfície da Terra. Isso interceptaria o total de 384,6 yottawatts (3,846 × 10²⁶ watts) da saída do Sol. Projetos sem casca interceptariam menos, mas a variante de casca representa a energia máxima possível capturada para o Sistema Solar neste ponto da evolução do Sol. Isso é aproximadamente 33 trilhões de vezes o consumo de energia da humanidade em 1998, que era de 12 terawatts.

Existem várias dificuldades teóricas sérias com a variante de casca sólida da esfera de Dyson:

Tal concha não teria interação gravitacional líquida com sua estrela englobada (veja o teorema da concha) e poderia derivar em relação à estrela central. Se tais movimentos não fossem corrigidos, eles poderiam eventualmente resultar em uma colisão entre a esfera e a estrela – provavelmente com resultados desastrosos. Tais estruturas precisariam de alguma forma de propulsão para neutralizar qualquer deriva, ou alguma forma de repelir a superfície da esfera para longe da estrela.

Pelo mesmo motivo, tal concha não teria interação gravitacional líquida com qualquer outra coisa dentro dela. O conteúdo de qualquer biosfera colocada na superfície interna de uma concha de Dyson não seria atraído para a superfície da esfera e simplesmente cairia na estrela. Foi proposto que uma biosfera poderia estar contida entre duas esferas concêntricas, colocadas no interior de uma esfera rotativa (neste caso, a força da "gravidade" artificial é perpendicular ao eixo de rotação, fazendo com que todos matéria colocada no interior da esfera para se agrupar em torno do equador, efetivamente tornando a esfera um anel Niven para fins de habitação, mas ainda totalmente eficaz como um coletor de energia radiante) ou colocada do lado de fora da esfera onde seria mantida no lugar pela gravidade da estrela. Em tais casos, alguma forma de iluminação teria que ser inventada, ou a esfera tornada pelo menos parcialmente transparente, porque a luz da estrela ficaria completamente escondida.

Se assumirmos um raio de 1 UA, a resistência à compressão do material que forma a esfera teria que ser imensa para evitar a implosão devido à gravidade da estrela. Qualquer ponto selecionado arbitrariamente na superfície da esfera pode ser visto como estando sob a pressão da base de uma cúpula de 1 UA de altura sob a gravidade do Sol a essa distância. De fato, pode ser visto como estando na base de um número infinito de cúpulas arbitrariamente selecionadas, mas como grande parte da força de qualquer cúpula arbitrária é neutralizada por aquelas de outra, a força resultante naquele ponto é imensa, mas finita. Nenhum material conhecido ou teorizado é forte o suficiente para suportar essa pressão e formar uma esfera rígida e estática ao redor de uma estrela. Foi proposto por Paul Birch (em relação a construções "Supra-Júpiter" menores em torno de um grande planeta em vez de uma estrela) que pode ser possível suportar uma concha de Dyson por meios dinâmicos semelhantes aos usados em uma fonte espacial. Massas viajando em trilhas circulares no interior da esfera, a velocidades significativamente maiores que a velocidade orbital, pressionariam para fora em mancais magnéticos devido à força centrífuga. Para uma concha Dyson de 1 UA de raio em torno de uma estrela com a mesma massa do Sol, uma massa viajando dez vezes a velocidade orbital (297,9 km/s) suportaria 99 (a = v²/r) vezes sua própria massa em estrutura de casca adicional.

Além disso, se assumirmos um raio de 1 UA, pode não haver material de construção suficiente no Sistema Solar para construir uma concha Dyson. Anders Sandberg estima que há 1,82×10 ²⁶ kg de material de construção facilmente utilizável no Sistema Solar, o suficiente para uma concha de 1 UA com uma massa de 600 kg/m²—cerca de 8– 20 cm de espessura em média, dependendo da densidade do material. Isso inclui os núcleos de difícil acesso dos gigantes gasosos; os planetas internos fornecem apenas 11,79×10 ²⁴ kg, o suficiente para um projétil de 1 UA com massa de apenas 42 kg/m².

Mundo bolha

Um mundo de bolhas é uma construção artificial que consiste em uma concha de espaço vital em torno de uma esfera de gás hidrogênio. A casca contém ar, pessoas, casas, móveis, etc. A ideia foi concebida para responder à pergunta: "Qual é a maior colônia espacial que pode ser construída?" No entanto, a maior parte do volume não é habitável e não há fonte de energia.

Teoricamente, qualquer gigante gasoso poderia ser encerrado em uma concha sólida; em um determinado raio, a gravidade da superfície seria terrestre e a energia poderia ser fornecida pelo aproveitamento da energia térmica do planeta. Este conceito é explorado perifericamente no romance Accelerando (e o conto Curator, que é incorporado ao romance como um capítulo) de Charles Stross, no qual Saturno é convertido em um mundo habitável pelo homem.

Motor estelar

Os motores estelares são uma classe de megaestruturas hipotéticas cuja finalidade é extrair energia útil de uma estrela, às vezes para fins específicos. Por exemplo, os cérebros Matrioshka extraem energia para fins de computação; Os propulsores Shkadov extraem energia para fins de propulsão. Alguns dos projetos de motores estelares propostos são baseados na esfera de Dyson.

Pesquisar por megaestruturas

No artigo original de Dyson, ele especulou que civilizações extraterrestres suficientemente avançadas provavelmente seguiriam um padrão de consumo de energia semelhante ao dos humanos e, eventualmente, construiriam sua própria esfera de coletores. A construção de tal sistema tornaria tal civilização uma civilização tipo II de Kardashev.

A existência de tal sistema de coletores alteraria a luz emitida pelo sistema estelar. Os coletores absorveriam e irradiariam novamente a energia da estrela. O(s) comprimento(s) de onda da radiação emitida pelos coletores seriam determinados pelos espectros de emissão das substâncias que os compõem e pela temperatura dos coletores. Como parece mais provável que esses coletores sejam compostos de elementos pesados normalmente não encontrados nos espectros de emissão de sua estrela central, haveria comprimentos de onda de luz atípicos para o tipo espectral da estrela. Se a porcentagem da saída da estrela filtrada ou transformada por essa absorção e reradiação fosse significativa, ela poderia ser detectada em distâncias interestelares.

Dada a quantidade de energia disponível por metro quadrado a uma distância de 1 UA do Sol, é possível calcular que a maioria das substâncias conhecidas estaria reirradiando energia na parte infravermelha do espectro eletromagnético. Assim, uma esfera de Dyson, construída por formas de vida não muito diferentes dos humanos, que viviam nas proximidades de uma estrela parecida com o Sol, feita com materiais semelhantes aos disponíveis para os humanos, provavelmente causaria um aumento na quantidade de radiação infravermelha no espectro emitido do sistema estelar. Assim, Dyson selecionou o título "Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation" por seu artigo publicado.

O SETI adotou essas suposições em sua busca, procurando por tais "infravermelhos pesados" espectros de análogos solares. Desde 2005, o Fermilab tem um levantamento contínuo para tais espectros, analisando dados do Infrared Astronomical Satellite (IRAS). Identificar uma das muitas fontes de infravermelho como uma esfera de Dyson exigiria técnicas aprimoradas para discriminar entre uma esfera de Dyson e fontes naturais. O Fermilab descobriu 17 potenciais "ambíguos" candidatos, dos quais quatro foram nomeados "divertidos, mas ainda questionáveis". Outras buscas também resultaram em vários candidatos, mas não confirmados.

Em 14 de outubro de 2015, Planet Hunters' cientistas cidadãos descobriram flutuações de luz incomuns da estrela KIC 8462852, capturadas pelo Telescópio Espacial Kepler. A estrela foi apelidada de "Tabby's Star" depois de Tabetha S. Boyajian - a principal autora do estudo inicial. O fenômeno levantou especulações de que uma esfera de Dyson pode ter sido descoberta. Uma análise mais aprofundada baseada em dados até o final de 2017 mostrou um escurecimento dependente do comprimento de onda consistente com poeira, mas não um objeto opaco, como uma megaestrutura alienígena, que bloquearia todos os comprimentos de onda da luz igualmente.

Referências culturais

Um precursor do conceito de esferas de Dyson foi apresentado no romance de 1937 Star Maker de Olaf Stapledon. As esferas fictícias de Dyson são tipicamente estruturas sólidas formando uma concha contínua ao redor da estrela em questão, embora o próprio Dyson considerasse essa perspectiva mecanicamente implausível e, em vez disso, propusesse vários objetos separados orbitando independentemente a estrela. É um tipo de Big Dumb Object.

As esferas de Dyson aparecem como um elemento de fundo em muitas obras de ficção, como no romance de 1964 The Wanderer de Fritz Leiber, onde alienígenas encerram várias estrelas dessa maneira. As esferas de Dyson são retratadas na série de livros de 1975–1983 Saga of Cuckoo de Frederik Pohl e Jack Williamson, e uma funciona como cenário do romance de Bob Shaw de 1975 Orbitsville e suas continuações. Variações sobre o conceito incluem a banda circular única de uma esfera de Dyson sem o resto da esfera no romance Ringworld de Larry Niven, de 1970, a esfera de Dyson dividida ao meio no romance de 2012 Bowl of Heaven de Gregory Benford e Niven, e esferas de Dyson aninhadas - também conhecidas como cérebro de Matrioshka - como na série Cageworld dos anos 1980 de Colin Kapp e na trilogia Asgard de 1979-1990 de Brian Stableford.