Сфери на Дайсън и пръстеновидни светове: Реалистично ли е да се построи електроцентрала с размерите на звезда?

Дали научната фантастика най-накрая е получила математическа основа?

Сферите на Дайсън и орбиталните пръстени отдавна са класика в научната фантастика. Става дума за гигантски структури, които биха могли напълно да обгърнат дадена планета или звезда. Сферата на Дайсън е замислена като колосална куха черупка около светилото, способна да улавя цялата му енергия за нуждите на човечеството. Орбиталният пръстен е друг вид подобна структура, на чиято вътрешна повърхност хората биха могли да живеят, използвайки енергията на централното светило. До неотдавна физиците смятаха подобни проекти за неосъществими: под въздействието на гравитацията структурите неизбежно биха се срутили. Един учен от Шотландия обаче доказа, че при определени условия те все пак могат да съществуват в стабилно състояние.

Автор на откритието е Колин Макинъс – той е професор по инженерни науки, ръководител на катедрата „Джеймс Уат“ в университета в Глазгоу. Мъжът признава, че се е заинтересувал от подобни идеи още като студент, след като е прочел поредицата романи на Лари Нивън „Пръстеновиден свят“.

Концепцията за гигантска сферична обвивка около звездата физикът Фрийман Дайсън описва за първи път през 1960 г. в списание Science. За изграждането на подобна структура в Слънчевата система би било необходимо количество материал, сравнимо с масата на Юпитер. Според идеята на учения, сферата би се намирала на разстояние две астрономически единици от Слънцето (два пъти по-далеч от орбитата на Земята). Въпреки колосалните размери дебелината на стените би била само няколко метра, но това би било достатъчно, за да се събере цялата енергия на Слънцето. Като цяло Дайсън вярва, че развитието на цивилизациите неизбежно ще доведе до създаването на такива системи поради постоянно нарастващите енергийни изисквания на новите технологии.

Ако нашите братя по разум от далечни светове вече са построили такива сфери, астрономите имат шанс да ги открият. Въпреки че самата структура би погълнала по-голямата част от видимата светлина на своята звезда и би изглеждала като тъмно петно в пространството, тя неизбежно би се нагряла. В резултат на това топлината би се излъчвала обратно в пространството в инфрачервената област.

Но идеята има един сериозен недостатък. Според теоремата на Нютон резултантната гравитационна сила вътре в кухата сфера е нула. Следователно и най-малкото отклонение на звездата от центъра, причинено от неидеална конструкция или от външни фактори, би породило неравномерно разпределение на гравитационните сили. Механичните напрежения, възникващи в този случай, както бе споменато по-горе, неизбежно биха довели до разрушаване на обвивката.

Подобни теоретични трудности възникват и при гигантските пръстеновидни структури, описани в романите на Лари Нивън. Всеки пръстен, заобикалящ звезда или планета, би загубил стабилността си: най-малкият гравитационен дисбаланс би довел до изместването му и в крайна сметка до сблъсък с централното небесно тяло.

Така че вместо една звезда Макинъс разглежда система от две еднакво масивни тела, които обикалят едно около друго по кръгови орбити. В тази система ученият изследва поведението на пръстен, чиято маса е толкова малка, че на практика не влияе върху движението на основните тела. Такъв пръстен би могъл да бъде разположен по три начина: да обгръща двете тела, да обгръща само едното от тях или да се намира далеч от двете.

Новият подход, макар и не толкова сложен, колкото класическата задача за три тела (която все още няма точно аналитично решение), позволява да се направи важно откритие. В равнината на орбитите на двойната система има седем специални точки на равновесие. Като се разположи центърът на пръстена в някоя от тях, е възможно да се постигне стабилно положение на цялата структура. Тези точки са подобни на известните точки на Лагранж – области от пространството, в които едно малко тяло може да „увисне“ между два масивни обекта поради точния баланс на гравитационните сили.

При търсенето на оптимална позиция за пръстена ученият идентифицира две критични зони – области на възможни сблъсъци, т.е. кръгове, показващи къде структурата може да влезе в контакт с едно от телата на системата. От седемте точки на равновесие едната позволява на пръстена да обгърне и двете масивни тела, две точки са подходящи за обгръщане на едно от телата, а останалите четири осигуряват стабилно положение на пръстена, без да обгръща никакви обекти.

По права линия, свързваща центровете на масите на двете тела, ученият открива пет точки на равновесие. Още две точки, които той нарича „триъгълни“, са разположени на перпендикулярна линия, минаваща през центъра на системата. В същото време положението им не е фиксирано – то се променя в зависимост от диаметъра на пръстеновидната структура. В хода на изследването Макинъс също така математически обосновава възможността за създаване на стабилни пръстени, ориентирани вертикално – перпендикулярно на равнината, в която се въртят двете тела на системата.

Подобни резултати са получени и за сферата на Дайсън, чиято маса е пренебрежимо малка в сравнение с масите на двете основни тела на системата. В своите изчисления ученият представя тази сфера като съвкупност от пръстени с еднакви размери, чиито центрове съвпадат. Прилагането на теоремата на Нютон позволило значително да се опрости математическият анализ: оказва се, че всяко тяло извън сферата взаимодейства с нея по същия начин, както ако цялата маса на сферичната обвивка е съсредоточена в нейния център.

Ако трябва да обобщим накратко, можем да кажем, че сферата може да съществува стабилно в двойна система, ако по-малкото тяло е с радиус около два пъти по-малък от този на по-голямото – при условие че плътността на двата обекта е еднаква.

Сега астрономите трябва да се вгледат по-внимателно в двойните звездни системи, в които обект с необичайно високо инфрачервено излъчване обикаля в съседство с ярко светило. Подобни структури теоретично могат да съществуват не само в двойките звезди, но и в системите звезда-екзопланета и дори екзопланета-екзопланета. Освен това математиката не изключва възможността за създаване на няколко сфери на Дайсън, вложени една в друга. Но това вече е материал за нови, още по-задълбочени изследвания.