В поисках сферы Дайсона

 https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2018/10/zaglushka-e1538748301621.png
Денис Нырков
Популяризатор космонавтики и астрономии, блогер на habr.com, переводчик в группах ВК Space Room и SpaceX

Вселенная настолько огромна, что на ее бесконечных просторах может реализоваться даже исключительно маловероятное явление. Человечество с огромным нетерпением ждет встречи с представителями внеземных цивилизаций и одновременно опасается их. Кто знает, что у них на уме? Принесет такая встреча пользу или вред — вопрос далеко не праздный, и понятно, что он волнует не только ученых, но и широкую общественность. Однако для начала нужно найти ответ на другой вопрос — есть ли там хоть кто-нибудь?

Первые попытки поисков внеземных цивилизаций начались вскоре после открытия радио в конце XIX века, то есть практически сразу, как только в нашем распоряжении появились средства передачи информации на большие расстояния (и соответственно ее приема). Константином Циолковским и Олафом  Стэплдоном (Olaf Stapledon) была предложена теория о том, что высокоразвитая цивилизация, ведомая техническим прогрессом и ростом потребления энергии, должна со временем выйти в космос для создания там солнечных электростанций гигантского размера.

Сфера Дайсона в представлении художника. Источник: dottedhippo/iStock/Getty Images Plus

Эту идею впоследствии популяризировал в своей работе американский физик Фримен Дайсон (Freeman Dyson), в честь которого позже получил свое название один из возможных типов конструкций подобных сооружений.

Что мы ищем

Идея «сферы Дайсона» по сути своей довольно проста. Земля «улавливает» около одной двухмиллиардной части всей энергии, испускаемой Солнцем. Это огромная величина, из которой мы сейчас используем чуть менее сотой доли процента, но с учетом ускорения технического прогресса мы достигнем такого уровня энергопотребления в течение ближайших 200-300 лет.

Что же дальше? Если человечество продолжит свое развитие все ускоряющимися темпами, нашим потомкам придется строить фотогальванические преобразователи циклопических размеров, размещенные на самостоятельных околосолнечных орбитах. Вырабатываемую ими энергию можно будет использовать прямо на месте для создания космической индустрии, а также передавать на Землю или в колонии на других телах Солнечной системы, куда к тому времени переселится часть жителей нашей планеты.

Эта цепочка событий в развитии цивилизации, продиктованная базовыми принципами технического прогресса и физики, в итоге должна привести к тому, что почти вся «родительская» звезда окажется закрытой искусственно созданной конструкцией. Такой вариант выглядит практически неизбежным как для человечества, так и для других разумных существ. И самое главное, что подобную конструкцию можно было бы обнаружить даже в том случае, если бы «братья по разуму» не предпринимали активных попыток с нами связаться.

О поисках такой сферы сам Фримен Дайсон высказывался следующим образом: «Главное — это поиск инопланетян, которые не хотят общаться. Мой вопрос: как вы будете искать безмолвных инопланетян? Ответ: они должны излучать отработанное тепло. Единственный способ [избавиться от него] — производить много инфракрасного излучения». По словам Дайсона, поиски только начинаются и могут занять сотни лет. Обнаружение сферы, добавлял он, «не безусловно, но возможно».

Эллиптические звездные системы, как правило, не содержат выразительных деталей. При наличии достаточного количества сфер Дайсона в спектрах галактик проявятся характерные особенности — в частности, избыток инфракрасного излучения. Источник: ESA/Hubble & NASA

Ученый также предполагает, что «это вовсе не обязательно должна быть сфера». Дело в том, что вращающаяся сферическая конструкция не может находиться в равновесии из-за отсутствия центробежных сил у ее полюсов, поэтому она должна иметь более сложную форму, разомкнутую в направлении оси вращения.

Если сфера Дайсона не представляет собой целостную конструкцию, ее фрагменты могут периодически затмевать центральное светило, производя такой же эффект, как и транзиты планет. Но даже если сфера будет полностью закрывать звезду, ее можно обнаружить по собственному остаточному излучению в более длинноволновой части спектра. Поиски такого излучения лучше всего вести с помощью инструментов, вынесенных за пределы атмосферы Земли, которая сама интенсивно «светится» в инфракрасном диапазоне, а также вносит существенные погрешности при измерениях яркости звезд.

Безуспешные попытки

Первую попытку поиска «недостроенной» сферы провел Джун Джугаку (June Jugaku) на базе каталога Глизе 1970 года, который включал все 1774 объекта, известные на тот момент в радиусе 25 парсек (81,5 светового года). По его оценкам, если бы фрагменты сферы Дайсона закрывали более 1% поверхности звезды, то ее светимость должна была бы периодически падать на одну десятую звездной величины, что несложно зарегистрировать при наземных наблюдениях. В 1990 г. он опубликовал результаты своей работы, из которых следовало, что подходящих кандидатов ему найти не удалось.

После начала космической эры инфракрасная астрономия получила новый толчок, когда первые астрономические инструменты поднялись за пределы земной атмосферы (пропускающей к поверхности лишь малую часть ИК-излучения). Первым подобным проектом можно считать международную обсерваторию IRAS, в 1983-84 гг. впервые осуществившую полный обзор неба в значительной части инфракрасного диапазона. Ей удалось обнаружить свыше 250 тысяч источников. На основе этих данных были проведены поиски сфер Дайсона, полностью закрывающих свою звезду, по их предполагаемым спектральным особенностям. Спектры звезд имеют много линий поглощения и своеобразный «рваный» характер. Излучение сферы должно иметь примерно такой же непрерывный спектр, как у абсолютно черного тела. По этому критерию было отобрано несколько кандидатов, но все их особенности в итоге объяснили природными факторами.

Астрономы используют инфракрасные снимки для поиска астросооружений. Источник: NASA/JPL-Caltech

Кроме того, Ричард Корриган (Richard Corrigan), занимавшийся анализом данных IRAS, и Джейсон Райт (Jason Wright), участвовавший в сопровождении миссии WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer, NASA), сделали попытку обнаружить нечто еще более масштабное — сферы Дайсона вокруг целых галактик. Такие объекты должны иметь значительный избыток излучения в среднем инфракрасном диапазоне. Однако и здесь ученых ожидала неудача. С тех пор было проведено еще несколько подобных обзоров (в том числе при помощи европейского инфракрасного телескопа Planck), но все они меркнут перед возможностями европейской астрометрической обсерватории Gaia, которая с конца 2013 г. смогла определить параметры более 1,3 млрд звезд. Полный набор характеристик измерялся лишь для части из них, но основная информация, необходимая для поисков сфер — параллакс (то есть расстояние до объекта), видимый блеск и спектр излучения — уже известна практически для всех. Количество звезд, охваченных исследованиями, кажется огромным, но на самом деле это незначительная часть от их общего числа в нашей Галактике, которое сейчас оценивается в 400 млрд.

Однако Gaia ведет наблюдения звезд не слабее 20-й видимой звездной величины. Это наложило определенные пространственные ограничения на возможность обнаружения сферы Дайсона: вокруг белых карликов такие структуры сейчас можно зарегистрировать, если они находятся на расстоянии нескольких десятков световых лет, вокруг красных карликов — не более чем в сотне световых лет, у звезд наподобие нашего Солнца — на дистанции еще в 10-20 раз большей. А вот астроинженерную конструкцию вокруг звезды-гиганта или субгиганта можно обнаружить практически на любом расстоянии в пределах Млечного Пути. После анализа результатов наблюдений более чем миллиарда звезд осталось лишь шесть «подозрительных» объектов, которые ученые сейчас проверяют с помощью других телескопов. В целом «улов» Gaia можно назвать довольно скудным, и даже для оставшихся 6 кандидатов, скорее всего, в итоге будет найдено естественное объяснение.

Новые надежды

Несмотря на то, что на данный момент нам еще не удалось обнаружить сферу Дайсона у себя «под боком», это вовсе не исключает возможности ее существования в отдаленных частях нашей Галактики, где ее смогут найти более мощные инструменты. Сейчас основные надежды в этом плане возлагаются на новые релизы данных Gaia,  а также на космическую обсерваторию Джеймса Уэбба (James Webb Space Telescope) и инфракрасный телескоп Roman (Nancy Grace Roman Space Telescope), которые должны отправиться в космос в этом десятилетии. Хоть они предназначены для наблюдений конкретных целей и не будут заниматься сканированием всего неба, но значительно более мощная оптика позволит им «заглянуть» намного дальше. К тому же их можно использовать для детального изучения уже «подозреваемых» объектов.

В обширных массивах данных, переданных обсерваторией WISE, астрономы пытаются отыскать признаки деятельности высокоразвитых цивилизаций — сферы Дайсона, окружающие звезды и целые галактики. Предполагается, что такие объекты будут исключительно яркими в инфракрасном диапазоне — даже более яркими, чем галактики, в ядре которых содержатся большие массы горячей пыли (на приведенном снимке такая галактика обведена розовым кольцом; желтыми кольцами обозначены активные сверхмассивные черные дыры). Источник: NASA/JPL-CALTECH/UCLA

В 2016 г. группа астрономов, сотрудничающих с Европейским космическим агентством (в ведении которого находится аппарат Gaia), предложила концепцию миссии GaiaNIR (Gaia Near-Infra-Red) — астрометрического телескопа для наблюдений в ближнем инфракрасном диапазоне. Такому инструменту будут доступны многие звезды, которые скрыты от нас облаками межзвездной пыли, непрозрачной для видимого света. Но вдобавок он окажется весьма эффективным при поисках возможных сфер Дайсона: сравнение полученных им данных с наблюдениями оптических телескопов позволит выявить объекты с «подозрительным» избытком длинноволнового излучения. К сожалению, многие технологии, необходимые для реализации такой миссии, пока отработаны недостаточно хорошо, поэтому ее вряд ли удастся осуществить раньше 2030 г.

Остается ждать и надеяться, что рано или поздно мы, наконец, получим ответ на животрепещущий и очень важный для нас вопрос — одиноки ли мы во Вселенной?