Как законите на термодинамиката ще издадат извънземните цивилизации: нов метод за намиране на техносигнатури

Концепцията за сфера на Дайсън е предложена от физика Фрийман Дайсън през 1960 г. Тя описва хипотетична мегаструктура, която високоразвита извънземна цивилизация би могла да изгради около своята звезда, за да прихване и използва цялата излъчвана от нея енергия. Първоначално търсенето на подобни обекти се съсредоточава върху звезди, подобни на нашето Слънце. Подробните физични и инженерни анализи обаче показват, че изграждането на твърда обвивка около звезда, подобна на Слънцето, е свързано с непреодолими трудности. Радиусът на такава сфера би трябвало да е около една астрономическа единица (разстоянието от Земята до Слънцето), което изисква количество строителни материали, сравнимо с масата на всички планети в Слънчевата система, както и технологии за овладяване на огромната гравитационна нестабилност.

Ново изследване на физика Амирнезам Амири от Университета в Арканзас предполага, че основните параметри на търсенето на извънземни цивилизации трябва да бъдат преразгледани. Ако изхождаме от принципите на енергийната ефективност и минимизирането на ресурсните разходи, най-подходящите кандидати за разполагане на сфери на Дайсън са звездите с ниска светимост: червени джуджета (М-джуджета) и бели джуджета.

Физическите параметри на звездите с ниска светимост

Червените джуджета са най-разпространеният тип звезди в Млечния път, като съставляват около 70% от общото звездно население на галактиката. Те имат ниска ефективна температура (2400 до 3700 Келвина) и малък радиус (0,1 до 0,6 от радиуса на Слънцето). Основното физическо предимство на червените джуджета за една хипотетична цивилизация е тяхната дълговечност. Тези звезди изразходват водородното си гориво изключително бавно, така че възрастта им може да се определи в трилиони години. Това далеч надхвърля сегашната възраст на Вселената и осигурява стабилен източник на енергия за неопределено време.

Тъй като светимостта на червените джуджета е много по-ниска от тази на Слънцето (0,0001 до 0,6), зоната, подходяща за ефективно улавяне на енергия, е много по-близо до звездата, на разстояние от 0,05 до 0,3 астрономически единици. Сфера на Дайсън, построена на това разстояние, би имала повърхност, десетки пъти по-малка от тази на сфера около Слънцето. Това драстично намалява нуждата от строителни материали.

Белите джуджета са още по-компактни обекти. Те са последният етап от еволюцията на звездите с малка до средна маса. Термоядрените реакции в белите джуджета вече са прекратени, но те съхраняват огромни количества топлинна енергия и непрекъснато я излъчват, докато се охлаждат в продължение на милиарди години. Радиусът на типичното бяло джудже е само около 0,01 пъти радиуса на Слънцето, което е сравнимо с размера на Земята. Сфера на Дайсън около такъв обект може да бъде изградена на разстояние само няколко милиона километра. Конструкция с такъв размер се превръща в технически осъществима задача, тъй като изисква минимално потребление на материя за пълно улавяне на енергията.

Термодинамиката на техносигнатурите

Ключов въпрос в търсенето на мегаструктури са методите за тяхното откриване. Ако една сфера напълно обгражда дадена звезда, тя блокира цялата видима светлина. Въпреки това законите на термодинамиката правят този обект видим за астрономическите инструменти. Сферата поглъща излъчването на звездата и го използва за работа, но според закона за запазване на енергията отпадъчната топлина трябва да се излъчи в космическото пространство. В противен случай структурата непрекъснато ще се нагрява, докато се разтопи.

По този начин сферата на Дайсън функционира като излъчвател на абсолютно черното тяло. Тя преизлъчва цялата получена звездна енергия, но с други дължини на вълните. Ефективната температура на сферата зависи от нейния радиус: колкото по-голяма е структурата, толкова по-ниска е нейната температура. Амири прави изчисления, които показват, че температурата на сферата е обратно пропорционална на квадратния корен от нейния радиус.

При дадени параметри на радиусите на червените и белите джуджета равновесната температура на външните обвивки на сферите на Дайсън ще бъде в диапазона от 50 до 300 Келвина. Физическо тяло с тази температура излъчва по-голямата част от енергията си в средния инфрачервен диапазон (при дължини на вълните между 10 и 60 микрометра). Следователно е необходимо да се търсят извънземни цивилизации не с помощта на радиотелескопи, а с помощта на инфрачервени обсерватории, фиксиращи източници на прекомерно топлинно излъчване.

Използване на диаграмата на Херцшпрунг-Ръсел

За да се систематизира търсенето, изследването предлага използването на диаграмата на Херцшпрунг-Ръсел. В астрофизиката това е стандартна двуизмерна диаграма, която разпределя звездите в зависимост от тяхната температура (по хоризонталната ос) и светимост (по вертикалната ос). При естествени условия звездите се групират в строго определени зони на тази диаграма в зависимост от тяхната маса и етап на еволюция.

Ако около дадена звезда се издигне плътна сфера на Дайсън, нейните оптични характеристики се променят. Обектът се измества рязко върху диаграмата от зоната на нормалните звезди към областта на изключително ниските температури, характерни за охлаждащите се твърди тела. В същото време общата болометрична светимост на обекта (сумата на излъчването при всички дължини на вълната) остава равна на първоначалната светимост на самата звезда. Тази промяна създава ясен количествен критерий за астрономите: ако даден обект има светимостта на звезда, но температурата на планета, той изисква приоритетно изследване.

Предимството на чистите спектри

Основният проблем при търсенето на инфрачервени аномалии са естествените източници на топлинно излъчване. Много звезди имат естествени прахови дискове, астероидни пояси или остатъци от планетарни сблъсъци, които обикалят около тях. Този прах също се нагрява от лъчението на звездата и свети в инфрачервения спектър.

В това отношение системите от бели джуджета предоставят най-строгите условия за наблюдение. Те притежават гладки и добре изучени спектри. В по-старите системи от бели джуджета естественият прах е рядкост, тъй като по-голямата част от заобикалящата ги материя е или погълната от звездата в предишен етап на разширяване (когато звездата е била червен гигант), или разпръсната в пространството. Всеки значителен излишък на инфрачервено излъчване около бяло джудже е аномалия, която трудно може да се обясни с естествени причини.

Освен това естественият силикатен прах има специфични спектрални характеристики. Изкуствена мегаструктура, излъчваща топлина, би демонстрирала гладкия непрекъснат спектър на напълно черно тяло без характерните химически маркери на праха. Комбинацията от тези фактори – отсъствие на видима светлина от звездата, силно инфрачервено излъчване и гладък спектър – формира надежден технопризнак за идентифициране на изкуствени обекти.

Методология за по-нататъшни наблюдения

Теоретичните изчисления на температурите и светимостта вече позволяват да се планират практически стратегии за наблюдение. Астрономите могат да използват широкомащабни звездни каталози, като например данните от телескопа Gaia, за да определят целева група от близки бели и червени джуджета. След това тези обекти могат да бъдат проверени за топлинни аномалии с помощта на инфрачервени обсерватории.

Инструментът MIRI на борда на космическия телескоп Джеймс Уеб (JWST) има достатъчна чувствителност, за да изпълни тази задача. Той може да извършва прецизна фотометрия и спектроскопия с ниска разделителна способност в средната инфрачервена област. За обекти, отдалечени на разстояние до сто парсека от Слънчевата система, телескопът JWST може надеждно да разграничи топлинното излъчване на твърда сфера от светимостта на естествените фрагментационни дискове.

Откриването на техносигнатури не изисква изчакване на умишлен сигнал от други цивилизации. Достатъчно е, че законите на термодинамиката са неизменни за всички форми на материята, а потреблението на енергия в астрономически мащаб неизбежно генерира излишна топлина, която се открива от съвременните космически научни инструменти.