Новое исследование показывает, что высокоразвитые инопланетные цивилизации теоретически могли бы построить мегаструктуру, называемую сферой Дайсона, вокруг черной дыры, чтобы использовать всю поступающую от нее энергию, которая способна в 100 тыс. раз превысить ту, что выдает Солнце. Если подобные объекты действительно существуют, это поможет человечеству установить сам факт существования сверхцивилизаций.
Потребности человечества в энергии постепенно растут, и в будущем может наступить момент, когда энергопотребление превысит всю энергию, доступную планете Земля. Советский радиофизик Николай Кардашёв предложил в 1964 году условную шкалу, названную его именем, классифицирующую гипотетические сверхцивилизации в соответствии с тем уровнем энергии, которым они в целом могут оперировать. Его статья, опубликованная в «Астрономическом журнале», называлась «Передача информации внеземными цивилизациями». Цивилизации были разделены на три типа. Цивилизация I типа использует энергию родной планеты, цивилизация II типа использует всю энергию своей звезды, а III типа — своей галактики.
Для использования всей энергии звезды американский физик Фримен Дайсон еще в 1960 году предложил строить гигантские астроинженерные сооружения, заключающие всю звезду в оболочку, названную позже сферой Дайсона. Скорее всего, сфера Дайсона должна будет состоять из множества спутников, вращающихся вокруг звезды, так как единый твердый кокон неизбежно сомнется под действием гравитации центральной звезды.
Сам Дайсон признавался, что на идею его натолкнул фантастический роман Олафа Стэплдона «Создатель звезд». Такие мегаструктуры смогут преобразовывать улавливаемую ими солнечную энергию в нужную цивилизации форму, однако этот процесс неизбежно будет сопровождаться тепловыми потерями. В простейшем случае это тепло проявит себя издали в инфракрасном спектре, так что звезды с избыточным инфракрасным излучением могут стать ключевой целью при поисках внеземной жизни. Об этом Фримен Дайсон написал в своей статье «Поиск искусственных звездных источников инфракрасного излучения», опубликованной в журнале Science.
К сожалению, и Николая Кардашёва, и Фримена Дайсона уже нет с нами, они умерли сравнительно недавно, 3 августа 2019 года и 28 февраля 2020 года, в возрасте 87 и 96 лет.
Поиски сфер Дайсона в космосе проводились, были найдены даже некоторые кандидаты, но надежных вариантов так и не возникло. Китайский астроном Тигер Ю-Янг Сяо из Университета Цинхуа считает, что человечество, возможно, ищет не то. В новом исследовании, опубликованном в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, а также на сайте arXiv.org, он и его коллеги решили выяснить, можно ли хотя бы теоретически построить сферу Дайсона вокруг черной дыры. Они проанализировали черные дыры трех разных размеров: массой в пять солнц, а также в 20 и в 4 млн раз превышающие массу Солнца. Это соответственно нижний и верхний пределы для массы черных дыр, образующихся в результате коллапса массивных звезд, и масса не самой большой сверхмассивной черной дыры, находящейся в центре галактики Млечный путь, объекта под названием Стрелец A*.
Сами черные дыры не производят энергию, а только ее потребляют. Однако этот процесс потребления энергии и материи черной дырой сопровождается громадными потерями, что обычно с головой выдает существование черной дыры внешнему наблюдателю. Мощные гравитационные поля могут генерировать энергию с помощью нескольких процессов. Прежде всего это излучение, испускаемое скоплениями газа вокруг дыры, закручивающегося в так называемый аккреционный диск. Движущиеся с релятивистскими скоростями и сталкивающиеся между собой частицы материи генерируют излучение во всех диапазонах длин волн, но особенно много черные дыры излучают в рентгеновском диапазоне. Две релятивистские струи материи и энергии вырываются вдоль оси вращения черной дыры. К тому же теоретически предсказано существование излучения Хокинга, которое позволяет черным дырам постепенно терять массу, высвобождая при этом потоки энергии из-под горизонта событий — то есть той оболочки, за пределы которой иначе никак не может просочиться ни одно материальное тело.
В результате своих расчетов Сяо и его коллеги пришли к выводу, что аккреционный диск, окружающий газ и струи черных дыр могут служить подходящими источниками энергии для сверхцивилизации. Фактически, энергия одного лишь аккреционного диска черной дыры звездной массы в 20 солнц может предоставить такое же количество энергии, как и сферы Дайсона, выстроенные вокруг 100 тыс. звезд.
А если бы внеземной цивилизации удалось задействовать ресурсы сверхмассивной черной дыры, то энергия, которую можно было бы получить, возросла бы еще в миллион раз.
В статье обсуждается также возможное расположение сферы Дайсона у черной дыры. Чтобы эффективно поглотить излучение аккреционного диска, можно будет ограничиться так называемым кольцом Дайсона или роем Дайсона. Сооружение должно располагаться вне аккреционного диска, на расстояниях в тысячу или даже 100 тыс. радиусов Шварцшильда, или гравитационных радиусов, определяющих характерный размер черной дыры, ее горизонт событий. Однако в этой области сверхвысокие температуры расплавили бы твердую оболочку. Чтобы избежать плавления твердой сферы Дайсона, в случае черной дыры звездной массы оболочку нужно отодвинуть еще дальше, на 10 млн радиусов Шварцшильда. Для сверхмассивной черной дыры расстояние составит порядка тысячи радиусов Шварцшильда. Размер аккреционного диска для черной дыры звездной массы меньше размера Солнца, это означает, что сфера Дайсона вокруг черной дыры звездной массы может быть меньше, чем вокруг Солнца. С точки зрения использования релятивистских струй оптимальной формой сферы Дайсона стал бы так называемый пузырь Дайсона. Уравновешивая давление и гравитацию черной дыры, такой легкий парус-пузырь мог бы оставаться неподвижным.
Если подобная технология осуществима, то у нас, возможно, есть шанс все это увидеть. По словам исследователей, тепловое излучение от так называемой горячей сферы Дайсона — которая каким-либо образом способна выдерживать температуры, превышающие 3000 К, что выше точки плавления известных металлов, — вокруг черной дыры звездной массы в нашей Галактике будет обнаруживаться в ультрафиолетовом диапазоне. Такие сигналы могут быть найдены в данных самых разных телескопов, включая Космический телескоп NASA Hubble и GALEX (Galaxy Evolution Explorer) — орбитальный космический телескоп NASA, работающий в ультрафиолетовом диапазоне.
Между тем «твердую» сферу Дайсона, работающую при температурах ниже 3000 кельвинов, можно было бы наблюдать в инфракрасном диапазоне, например, с помощью наземной установки SDSS (Sloan Digital Sky Survey) или орбитального аппарата NASA WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer). Последний — уже не новичок в поиске инфракрасных сигналов от «традиционных» звездных сфер Дайсона, но, как и в случае прочих подобных проектов, WISE пока тоже не нашел ничего убедительного.
«Мне нравятся эти рассуждения о том, что могут осуществить развитые цивилизации», — говорит Томаш Опатрны, чешский физик из Палацкого университета в Оломоуце, который не участвовал в написании статьи, но тоже задумывался о возможности существования инопланетных цивилизаций вблизи черных дыр и писал на эту тему научные работы. Он соглашается с тем, что сфера Дайсона вокруг черной дыры действительно может предоставить ее строителям очень много энергии.
Опатрны считает, что использование излучения аккреционных дисков было бы особенно выгодно, потому что эти диски преобразуют энергию более эффективно, чем обычные звезды в термоядерных реакциях. Он также предполагает, что инопланетянам, которых беспокоит стабильность источников энергии, лучше заключить в капсулу маленькие звезды, которые медленно сжигают свое топливо. Однако при этом Опатрны добавляет: «Быстро развивающиеся цивилизации, использующие аккреционные диски черных дыр, нам будет гораздо легче обнаружить по огромному количеству выделяемого ими тепла».
Иноуэ Макото, астрофизик из тайваньского Института астрономии и астрофизики Academia Sinica, обращаясь к шкале Кардашева, напоминает, что обычные черные дыры могут поддерживать так называемые цивилизации типа II, чьи общие энергетические потребности соответствуют потребностям всей звездной системы, и добавляет, что сверхмассивные черные дыры могут подпитывать энергией уже цивилизации III типа, энергопотребление которых сравнится с энергопотреблением всей галактики.
Но для чего инопланетяне могут использовать всю эту прорву энергии? У Опатрны есть некоторые мысли и на эту тему. «Они могут добывать криптовалюту, играть в компьютерные игры или просто кормить свою постоянно растущую бюрократию», — говорит он в шутку. В любом случае сейчас чрезвычайно трудно представить потребности, которые могут возникнуть у сверхцивилизации.