Сфера Дайсона вокруг чёрной дыры: зачем её строить и как её найти⁠⁠

Сфера Дайсона это, наверное, одна из самых культовых космических конструкций. Простое упоминание о ней может привести в восторг как обычного любителя фантастики, так и серьезного энтузиаста технологий будущего.

Идея о возможности строительства такой мегаструктуры была впервые предложена в 1960 году американским физиком-теоретиком Фрименом Дайсоном. По задумке автора она должна представлять собой тонкую сферическую оболочку огромного радиуса вокруг центральной звезды и собирать ее энергию. И хотя данный гипотетический астроинженерный проект с тех пор носит имя своего автора, однако, по признанию самого Дайсона, идею сферы он позаимствовал из фантастического романа Олафа Стэплдона «Создатель звёзд».

Правда похожая идея встречалась в литературе и значительно раньше. Так Константин Циолковский в своей работе «Грёзы о Земле и небе» (1895, главы 37, 43) описал цепи и кольца космических поселений вокруг Солнца.

Дайсон, вероятнее всего, не был знаком с идеями Циолковского, но при этом и он исходил из того, что технологически развитая цивилизация может не только применять подобное сооружение для максимально возможного использования энергии центральной звезды, но и для решения проблемы жизненного пространства.

Не удивительно, что изящность этой идеи обусловила ее широкую популярность. Но не обошлось и без справедливой критики. И дело здесь не только в том, что с точки зрения перспективы развития наших даже самых передовых технологий, сфера Дайсона является, по сути, нереализуемым изобретением, но и в том, что даже обладай мы всеми необходимыми технологиями, встал бы вопрос целесообразности строительства такой конструкции.

Так, например, согласно теоретическим расчётам, для сооружения сферы Дайсона вокруг Солнца необходимо вещество массой порядка массы Юпитера.

Поэтому логично предположить, что для максимального использования энергетических ресурсов планетной системы, более эффективным способом получения энергии могло бы быть использование водорода из этого газового гиганта в термоядерном синтезе, чем сооружение из него конструкции для 100 % захвата энергии излучения центральной звезды.

Такой способ позволил бы добыть из Юпитера количество энергии, сопоставимое с энергией взрыва сверхновой звезды.

Запаса энергии Юпитера при таком способе извлечения энергии хватило бы почти на 300 млн лет.

Этот срок, вероятно, превосходит длительность «шкалы времени» любой развивающейся цивилизации.

Поэтому, с позиции скептиков, данные аргументы и безуспешность попыток обнаружения сфер Дайсона в наблюдаемой Вселенной являются одним из подтверждений парадокса Ферми.

Но возможно мы просто не там и не так ищем?

Совсем недавно исследовательская группа под руководством астронома Тайгера Ю-Янг Сяо из Национального университета Цин Хуа на Тайване решила радикально пересмотреть идею сферы Дайсона - в частности, исследователи задались вопросом: а возможно ли соорудить сферу Дайсона вокруг черной дыры, вместо того чтобы строить ее вокруг звезды основной последовательности?

Но тогда возникают и новые вопросы: Будет ли такая конструкция более эффективной с точки зрения потенциала собираемой энергии? Какой тип инопланетного сообщества смог бы осуществить подобное строительство? И способны ли мы обнаружить такую мегаструктуру с Земли?

В качестве исходного ученые с Тайваня сделали предположение, что технологически развитым инопланетным цивилизациям, достигшим в своем развития уровня 2-го или 3-го Типа по шкале Кардашева, понадобится более мощный источник энергии, чем их собственное солнце.

Но как быть с тем, что ничто не может избежать чудовищного гравитационного притяжения черной дыры?

Ученые предложили сосредоточить внимание на чрезвычайно энергоемких процессах за пределами горизонта событий, где вокруг черной дыры вращается с чрезвычайно высокой скоростью диск сверхгорячей материи.

Они рассмотрели шесть типов источников энергии: от космического микроволнового фона и излучения Хоккинга, до аккреции Бонди и релятивистских струй. Наибольшая светимость, по мнению исследователей, может быть получена с аккреционного диска, достигая мощности сотни тысяч Солнц, чего было бы достаточно для полного обеспечения энергетических потребностей цивилизации типа II по шкале Кардашева.

Более того, если сфера Дайсона собирает не только электромагнитное излучение, но и другие типы энергии (например, кинетическую энергию) от релятивистских струй, общая собранная энергия увеличится еще в пять раз.

Но как сконструировать сферу Дайсона вокруг объекта с такой чудовищной гравитацией и энергией?

Чтобы поглотить светимость аккреционного диска, возможной структурой должно быть кольцо Дайсона или Рой Дайсона, которые должны располагаться вне аккреционного диска. Чтобы высокая температура не расплавила структуру, оболочка сферы должна находится на расстоянии более тысячи радиусов Шварцшильда, который для вращающихся черных дыр несколько превышает радиус горизонта событий.

Но дело в том, что размер аккреционного диска для черной дыры звездной массы меньше размера Солнца, а это означает, что сфера Дайсона вокруг черной дыры звездной массы может быть даже меньше, чем та, которую пришлось бы строить вокруг Солнца.

С точки зрения релятивистских струй возможной формой сферы Дайсона является пузырь Дайсона. Уравновешивая давление и гравитацию черной дыры, легкий парус может быть неподвижным в космосе и может непрерывно собирать энергию от струй.

Одновременно световые паруса поглощают свет аккреционного диска.

По расчетам ученых, лучший способ разместить легкий парус - это расположить его близко к месту происхождения реактивных струй, что может сэкономить материалы для его создания.

По большому счету, тайваньские исследователи не ставили целью разработать конкретную технологию аккумулирования энергии черной дыры с помощью сферы Дайсона, поэтому о нюансах функционирования, например, принципе использования кинетической энергии или способе передачи собранной энергии можно только догадываться.

Основной задачей исследования было - определить возможность и способы обнаружения внеземных цивилизаций, которые имеют с одной стороны заинтересованность в строительстве таких мегаструктур, а с другой стороны имеют соответствующие технологические возможности.

Получается, что с учетом описанного энергетического потенциала, эффективность строительства сферы Дайсона вокруг черной дыры значительно выше, чем ее строительство вокруг звезды главной последовательности, при том, что затраты ресурсов на создание мегаконструкции могут оказаться даже значительно меньше. Ура, не надо демонтировать Юпитер!!!

Но раз высокая целесообразность серьезно повышает вероятность существования сфер Дайсона вокруг черных дыр, то возможно ли их обнаруживать с помощью имеющихся земных технологий?

Команда ученых рассчитала, что если бы такая технология существовала вокруг черной дыры звездной массы в нашей галактике, то мы смогли бы обнаружить ее излучение в ультрафиолетовых, оптических и инфракрасных длинах волн. Это возможно обнаружить с помощью большинства современных телескопов, таких как Хаббл, или крупномасштабных съемок, таких телескопов как Sloan Digital Sky Survey или Wide-field Infrared Survey Explorer.

Однако из-за того, что черные дыры испускают чрезвычайно много излучения, которое может заглушать сигналы от сферы Дайсона, ученые предлагают дополнить наблюдения, используя метод лучевых скоростей, которые используется астрономами для обнаружения экзопланет по малейшим гравитационным колебаниям их звезд.

Что же, выводы вполне обнадеживающие!

Правда с учетом того, что сфера Дайсона даже вокруг обычных звезд воспринимается как исключительно фантастическая технология, а само существование черных дыр до недавнего времени было исключительно теоретическим, да и сейчас еще окончательно не доказано, то вероятность обнаружения энергетической сферы вокруг черной дыры, которую построила более развитая цивилизация, является близкой к нулю.

Так что, если мы хотим узнать, как могла бы работать сфера Дайсона вокруг черной дыры, более перспективно построить ее самим.