Как законы термодинамики выдадут внеземные цивилизации: новый метод поиска техносигнатур

Концепция сферы Дайсона была предложена физиком Фрименом Дайсоном в 1960 году. Она описывает гипотетическую мегаструктуру, которую высокоразвитая внеземная цивилизация может построить вокруг своей звезды для перехвата и использования всей ее излучаемой энергии. Изначально поиски таких объектов фокусировались на звездах, похожих на наше Солнце. Однако детальный физический и инженерный анализ показывает, что строительство сплошной оболочки вокруг солнцеподобной звезды связано с непреодолимыми трудностями. Радиус такой сферы должен составлять около одной астрономической единицы (расстояние от Земли до Солнца), что требует количества строительных материалов, сопоставимого с массой всех планет Солнечной системы, а также технологий удержания колоссальной гравитационной нестабильности.

Новое исследование физика Амирнезама Амири из Университета Арканзаса предлагает пересмотреть базовые параметры поиска внеземных цивилизаций. Если исходить из принципов энергетической эффективности и минимизации затрат ресурсов, наиболее подходящими кандидатами для размещения сфер Дайсона оказываются звезды с низкой светимостью: красные карлики (М-карлики) и белые карлики.

Физические параметры звезд с низкой светимостью

Красные карлики — самый распространенный тип звезд в Млечном Пути, на их долю приходится около 70 процентов всего звездного населения галактики. Они обладают низкой эффективной температурой (от 2400 до 3700 Кельвинов) и небольшим радиусом (от 0.1 до 0.6 радиуса Солнца). Главное физическое преимущество красных карликов для гипотетической цивилизации заключается в их продолжительности жизни. Такие звезды расходуют свое водородное топливо крайне медленно, благодаря чему их возраст может исчисляться триллионами лет. Это намного превышает текущий возраст Вселенной и предоставляет стабильный источник энергии на неограниченный срок.

Поскольку светимость красных карликов значительно ниже солнечной (от 0.0001 до 0.6), зона, пригодная для эффективного перехвата энергии, располагается гораздо ближе к звезде — на расстоянии от 0.05 до 0.3 астрономической единицы. Сфера Дайсона, построенная на таком расстоянии, будет иметь в десятки раз меньшую площадь поверхности по сравнению со сферой вокруг Солнца. Это радикально снижает потребность в строительных материалах.

Белые карлики представляют собой еще более компактные объекты. Это конечная стадия эволюции звезд небольшой и средней массы. Термоядерные реакции внутри белых карликов уже прекратились, но они сохраняют огромное количество тепловой энергии и непрерывно излучают ее, остывая на протяжении миллиардов лет. Радиус типичного белого карлика составляет всего около 0.01 радиуса Солнца, что сопоставимо с размерами Земли. Сфера Дайсона вокруг такого объекта может быть построена на расстоянии всего в несколько миллионов километров. Конструкция такого размера становится технически реализуемой задачей, так как требует минимального расхода материи для полного перехвата энергии.

Термодинамика техносигнатур

Ключевой вопрос в поиске мегаструктур заключается в методах их обнаружения. Если сфера полностью окружает звезду, она блокирует весь видимый свет. Однако законы термодинамики делают этот объект видимым для астрономических приборов. Сфера поглощает излучение звезды и использует его для работы, но в соответствии с законом сохранения энергии, отработанное тепло должно излучаться в космическое пространство. В противном случае структура будет непрерывно нагреваться вплоть до расплавления.

Таким образом, сфера Дайсона функционирует как излучатель абсолютно черного тела. Она переизлучает всю полученную звездную энергию, но уже на других длинах волн. Эффективная температура сферы зависит от ее радиуса: чем больше структура, тем ниже ее температура. Амири произвел расчеты, которые показывают, что температура сферы обратно пропорциональна квадратному корню из ее радиуса.

При заданных параметрах радиусов для красных и белых карликов, равновесная температура внешних оболочек сфер Дайсона будет находиться в диапазоне от 50 до 300 Кельвинов. Физическое тело с такой температурой излучает основную часть своей энергии в среднем инфракрасном диапазоне (на длинах волн от 10 до 60 микрометров). Следовательно, искать инопланетные цивилизации необходимо не с помощью радиотелескопов, а с помощью инфракрасных обсерваторий, фиксирующих источники избыточного теплового излучения.

Использование диаграммы Герцшпрунга — Рассела

Для систематизации поиска исследование предлагает использовать диаграмму Герцшпрунга — Рассела. В астрофизике это стандартный двумерный график, на котором звезды распределяются в зависимости от их температуры (по горизонтальной оси) и светимости (по вертикальной оси). В естественных условиях звезды группируются на этой диаграмме в строго определенных зонах, в зависимости от их массы и стадии эволюции.

Если вокруг звезды возводится сплошная сфера Дайсона, ее оптические характеристики меняются. Объект резко смещается на диаграмме из зоны нормальных звезд в область экстремально низких температур, характерную для остывающих твердых тел. При этом общая болометрическая светимость объекта (сумма излучения на всех длинах волн) остается равной первоначальной светимости самой звезды. Такое смещение создает четкий количественный критерий для астрономов: если объект обладает светимостью звезды, но температурой планеты, он требует первоочередного изучения.

Преимущество чистых спектров

Главная проблема в поиске инфракрасных аномалий — это природные источники теплового излучения. Вокруг многих звезд вращаются естественные пылевые диски, астероидные пояса или остатки планетных столкновений. Эта пыль также нагревается излучением звезды и светится в инфракрасном диапазоне.

В этом отношении системы белых карликов обеспечивают наиболее строгие условия для наблюдений. Они обладают гладкими, хорошо изученными спектрами. В системах старых белых карликов естественная пыль встречается редко, так как большая часть окружающего материала либо поглощается звездой на предыдущей стадии расширения (когда звезда была красным гигантом), либо рассеивается в пространстве. Любой значительный избыток инфракрасного излучения вокруг белого карлика является аномалией, которую сложно объяснить естественными причинами.

Кроме того, природная силикатная пыль имеет специфические спектральные характеристики. Искусственная мегаструктура, излучающая тепло, будет демонстрировать гладкий непрерывный спектр абсолютно черного тела без характерных химических маркеров пыли. Комбинация этих факторов — отсутствие видимого света от звезды, сильное инфракрасное излучение и гладкий спектр — формирует надежную техносигнатуру для идентификации искусственных объектов.

Методология дальнейших наблюдений

Теоретические расчеты температур и светимостей уже сейчас позволяют планировать практические стратегии наблюдения. Астрономы могут использовать масштабные каталоги звезд, такие как данные телескопа Gaia, для выделения целевой группы близлежащих белых и красных карликов. Далее эти объекты подлежат проверке на наличие тепловых аномалий с помощью инфракрасных обсерваторий.

Инструмент MIRI, установленный на борту космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST), обладает достаточной чувствительностью для выполнения этой задачи. Он способен проводить точную фотометрию и спектроскопию низкого разрешения в среднем инфракрасном диапазоне. Для объектов, расположенных на расстоянии до ста парсеков от Солнечной системы, JWST может достоверно отличить тепловое излучение сплошной сферы от свечения природных осколочных дисков.

Выявление техносигнатур не требует ожидания намеренного сигнала от других цивилизаций. Достаточно того, что законы термодинамики неизменны для всех форм материи, а потребление энергии в астрономических масштабах неизбежно генерирует избыточное тепло, которое фиксируется современными научными инструментами.

Источник:arXiv