Ar galime apgaubti Saulę? Dysono sferos ir panašios megastruktūros

Warning: preg_replace(): The /e modifier is no longer supported, use preg_replace_callback instead in /home/tolkien/domains/techo.lt/public_html/wp-content/plugins/latex/latex.php on line 47

Warning: preg_replace(): The /e modifier is no longer supported, use preg_replace_callback instead in /home/tolkien/domains/techo.lt/public_html/wp-content/plugins/latex/latex.php on line 49

Šiuo metu žmonijos sunaudojama energija sudaro maždaug vieną dešimttūkstantąją dalį tos energijos, kurią Žemė gauna iš Saulės. Bet poreikiai auga; per pastaruosius 30 metų energijos sunaudojimas išaugo beveik dvigubai. Jei panašus augimas tęsis ir toliau, po 400 metų iš Saulės Žemę pasiekiančios energijos nebeužteks žmonijos poreikiams patenkinti. Dar greičiau Žemėje ims trūkti vietos gyvenimui ir maisto auginimui. Vienas galimas abiejų problemų sprendimo būdas – pastatyti Dysono sferą aplink Saulę.

Dar pirmoje XX a. pusėje rašytojai fantastai, tokie kaip Olafas Stapledonas, iškėlė idėją, kad pažangi civilizacija galėtų pastatyti gaubtą aplink savo žvaigždę ir gyventi jos viduje. Vėliau, septintajame dešimtmetyje, tokią idėją išplėtojo ir sferos savybes apskaičiavo fizikas Freemanas Dysonas, kurio vardu objektai ir pakrikštyti. Dysono sfera – tai visą arba didžiąją dalį žvaigždės gaubianti sfera, kurios spindulys daugmaž lygus planetos orbitos spinduliui. Visą žvaigždės skleidžiama energiją sugaudo ir sugeria vidinis sferos paviršius. Ten šią energiją galima panaudoti įvairiems naudingiems dalykams, kaip ir dabar Žemėje.

Panaudotą energiją kažkur reikia pašalinti – tą būtų galima daryti ją kažkaip išmetant į išorę. Pavyzdžiui, išspinduliuojant arba išpučiant kaip šiltas dujas. Išspinduliuoti būtų paprasčiau, ir dujų nereikėtų. Tokiu atveju Dysono sferos spinduliuojamos energijos galia būtų tokia pati, kaip ir žvaigždės spinduliuotės galia, tik spektras labai skirtųsi. Šiluminės spinduliuotės galia yra proporcinga spinduliuojančio kūno paviršiaus plotui ir temperatūros ketvirtam laipsniui (). Spinduliui padidėjus nuo 700 tūkstančių (Saulės spindulys) iki 150 milijonų kilometrų (atstumas tarp Saulės ir Žemės, vadinamas astronominiu vienetu), plotas išauga 46 tūkstančius kartų. Temperatūra atitinkamai sumažėja 15 kartų – nuo 5700 iki 380 kelvino laipsnių, arba kiek daugiau nei 100 laipsnių Celsijaus. Temperatūra aukšta, bet jei pavyktų pastatyti visą sferą, tai aušinimo problemą išspręsti gal irgi pavyktų.

Tiek pat kartų, kiek sumažėja kūno temperatūra, padidėja intensyviausios spinduliuotės bangos ilgis. Saulė daugiausiai spinduliuoja 550 nanometrų ilgio (žalias) bangas, taigi aplink ją pastatyta Dysono sfera daugiausiai spinduliuotų 8 mikrometrų ilgio infraraudonuosius spindulius. Įdomu tai, kad tokio bangos ilgio spinduliuotės kosmose yra nedaug: žvaigždės daugiausiai spinduliuoja trumpesnes bangas, dulkės – ilgesnes. Kelių ar keliolikos mikrometrų ilgio spinduliuotė sklinda iš tam tikrų organinių molekulių, bet jos spektras labai skiriasi nuo karštos sferos spinduliuotės. Tad jeigu Paukščių Take būtų daug Dysono sferų, jas turėtume nesunkiai aptikti. Deja, kol kas to padaryti nepavyko, taigi turbūt Dysono sferos nėra dažnas reiškinys.

Sferų nebuvimas, ar bent jau retumas, nestebina. Norint pastatyti Dysono sferą, kyla daugybė praktinių problemų. Visų pirma, jai reikėtų labai daug medžiagos. Surinkę visas Saulės sistemos planetas ir kažkokiu būdu konvertavę jas į metalus (tarkim, geležį), galėtume pagaminti tik maždaug metro storio Žemės orbitos spindulio kevalą, dengiantį Saulę. O kur dar visa gyvenimui reikalinga infrastruktūra... Aišku, galbūt pavyktų tiesiog pavogti šiek tiek medžiagos nuo Saulės paviršiaus – tai dar ir žvaigždę padarytų šiek tiek stabilesnę ir ilgaamžiškesnę. Bet ir toks sprendimas reikalauja inžinerinių galimybių, daugybę kartų lenkiančių šiandienines. Tiesa, medžiagų poreikis turi ir vieną privalumą: jei jau pavyktų pastatyti Daisono sferą, tai visoje žvaigždės sistemoje nebeliktų jokios kitos medžiagos, tad neliktų ir kometų ar asteroidų, kurie galėtų kelti pavojų sferos struktūrai.

Kita bėda – kaip sferą išlaikyti stabilią. Saulė ją traukia savęs link; kad tam pasipriešintų, sferą sudaranti medžiaga turėtų būti ypatingai tvirta. Bet net jei tokią medžiagą ir mokėtume sukurti, Dysono sferos viduje gravitacija būtų nukreipta Saulės link. Labai nepatogu būtų gyventi pasaulyje, kuriame Saulė visada yra po kojomis. Gravitaciją sukurti galima būtų sferą įsukant (neseniai rašėme apie besisukančias kosmines stotis – idėja praktiškai tokia pati). Bet ir tai gelbėtų tik ties pusiauju, ašigaliai vis tiek būtų smarkiai traukiami Saulės, o išlaikyti juos turėtų sferos konstrukcija.

Dar viena problema – Saulės vėjas. Dabar nuo Žemės jį atstumia magnetosfera, o Dysono sferoje jam nebūtų kur pabėgti. Taigi sferos paviršių nuolatos bombarduotų energingų dalelių ir energingos spinduliuotės srautas. Galbūt jį būtų galima valdyti magnetinio lauko generatoriais, nukreipiant į negyvenamas sferos zonas. Gal ir kitokių sprendimų pavyktų rasti; juk kalbame apie daugybę kartų pažangesnę civilizaciją, nei dabartinė mūsiškė.

Šių problemų iš dalies išvengti galima apribojant statinio mastus. Pavyzdžiui, vietoje Dysono sferos galime galvoti apie Žiedinį pasaulį. Toks statinys, sugalvotas Larry Niveno to paties pavadinimo romane, yra juosta aplink žvaigždę, kurios plotis gali būti keletą kartų didesnis, nei Žemės skersmuo. Toks statinys nesugeria visos žvaigždės spinduliuotės, tačiau suteikia praktiškai begalinį plotą gyvenimui. Pavyzdžiui, 20 tūkstančių kilometrų pločio žiedo paviršiaus plotas yra 40 tūkstančių kartų didesnis, nei Žemės. Medžiagų jam pastatyti reikia gerokai mažiau, nei Dysono sferai: aukščiau minėtame pavyzdyje, jei žiedo storis 10 kilometrų, o medžiagos tankis yra per vidurį tarp granito ir geležies, jo masė siekia pusę Jupiterio masės. Iš tokio statinio lengva pašalinti perteklinę (ar panaudotą) energiją, taigi nebelieka ir aušinimo problemos – paviršiuje galima formuoti natūralioms artimas ekosistemas. Padarius žiedo kraštuose kelių šimtų ar tūkstančių kilometrų aukščio sienas, sustabdytume ir atmosferos ištekėjimą.

Žinoma, žiedą irgi reikia įsukti, kad jo paviršiuje būtų gravitacija. Greitis, kuriuo turėtų suktis Žemės orbitos spindulio žiedas, kad sukurtų žemišką gravitaciją, yra apie dvidešimt kartų didesnis, nei dabartinis Žemės sukimosi greitis aplink Saulę. Taigi labai stipri išcentrinė jėga temptų žiedą į išorę, o jį sudaranti medžiaga turėtų būti išskirtinai stipri, kad žiedas nesubyrėtų į gabalus. Ši Dysono sferoms kylanti problema išlieka. Negana to, žiedas, priešingai nei sfera, yra gravitaciškai nestabilus – vos truputį nukrypęs nuo idealios simetrijos, kai žvaigždė yra tiksliai žiedo centre, jis imtų vis sparčiau nuo jos tolti, kol galiausiai viena pusė susidurtų su žvaigžde. Taigi žiede turėtų būti daug variklių, galinčių nuolatos koreguoti jo padėtį.

Yra dar viena galima struktūra, išvengianti daugumos Dysono sferos ir žiedinio pasaulio problemų. Tai – Dysono spiečius, daugybės energijos surinkimo stočių grupė, skrajojanti aplink žvaigždę ir renkanti jos energiją bei perduodanti ją į planetą ar kur kitur bereikėtų. Jei jų reikėtų tik energijos kaupimui, toks sprendimas būtų žymiai geresnis už pirmus du. Tačiau, visą energiją perdavus į vieną planetą, pastarosios temperatūra pakiltų iki ypatingai aukštos, gal net aukštesnės, nei Saulės paviršiaus temperatūra. Be to, vien energijos kaupimui skirtos stotys nepadidintų gyvenamojo ar žemdirbystei tinkamo ploto. Pakeitus stotis gyvenamomis, problema apmažėtų ir didžiulė civilizacija galėtų gyvuoti ne vienoje planetoje, o daugybėje gyvenamų erdvių beveik vienodu atstumu nuo savo žvaigždės. Kiekviena stotis galėtų judėti apskritimine orbita aplink žvaigždę ir pati suktis aplink savo ašį. Taip sąlygos gyvenimui viduje taptų tinkamos, o stoties statyba nereikalautų neįsivaizduojamai stiprių medžiagų.

Apie Dysono spiečius buvo kalbama pernai ir užpernai, kai aptikta žvaigždė KIC 8462852, dar vadinama Tabby žvaigžde, pagal atradimą padariusiai komandai vadovavusią mokslininkę Tabitha S. Boyajian. Žvaigždės šviesis laikui bėgant kinta labai smarkiai – kartais ji priblėsta daugiau nei 20 procentų – ir labai netvarkingai. Dysono spiečius – vienas iš galimų tokio kintamumo paaiškinimų. Pro žvaigždės diską nereguliariai praskriejančios kosminės stotys galėtų sukelti nevienodus ir neatsikartojančius užtemimus. Visgi jokių protingos civilizacijos signalų nebuvimas verčia atmesti tokią idėją ir likti prie paprastesnės ir natūralios – kad KIC 8462852 kintamumą nulemia kometų debesis.