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Representación 3D de una esfera Dyson utilizando grandes paneles en órbita

Una esfera Dyson es una megaestructura hipotética que abarca por completo una estrella y captura un gran porcentaje de su producción de energía. El concepto es un experimento mental que intenta explicar cómo una civilización espacial cumpliría con sus requisitos de energía una vez que esos requisitos excedan lo que se puede generar solo con los recursos del planeta de origen. Solo una pequeña fracción de las emisiones de energía de una estrella llega a la superficie de cualquier planeta en órbita . La construcción de estructuras que rodeen una estrella permitiría a una civilización recolectar mucha más energía.

La primera descripción contemporánea de la estructura fue hecha por Olaf Stapledon en su novela de ciencia ficción Star Maker (1937), en la que describió "cada sistema solar ... rodeado por una gasa de trampas de luz, que enfocaba la energía solar que escapaba para un uso inteligente. . " [1] El concepto fue más tarde popularizado por Freeman Dyson en su artículo de 1960 "Búsqueda de fuentes estelares artificiales de radiación infrarroja ". [2]Dyson especuló que tales estructuras serían la consecuencia lógica de las crecientes necesidades energéticas de una civilización tecnológica y serían una necesidad para su supervivencia a largo plazo. Propuso que la búsqueda de tales estructuras podría conducir a la detección de vida extraterrestre inteligente y avanzada . Los diferentes tipos de esferas Dyson y su capacidad de recolección de energía corresponderían a niveles de avance tecnológico en la escala de Kardashev .

Desde entonces, otros diseños variantes que involucran la construcción de una estructura artificial o una serie de estructuras para abarcar una estrella se han propuesto en ingeniería exploratoria o se han descrito en ciencia ficción con el nombre de "esfera Dyson". Estas últimas propuestas no se han limitado a las estaciones de energía solar, muchas de las cuales involucran elementos habitacionales o industriales . La mayoría de las representaciones de ficción describen una capa sólida de materia que encierra una estrella, que fue considerada por el propio Dyson como la variante menos plausible de la idea. En mayo de 2013, en el Simposio Starship Century en San Diego, Dyson repitió sus comentarios de que deseaba que el concepto no tuviera su nombre. [3]

Origen del concepto [ editar ]

Ver también: Desarrollo energético
Freeman Dyson en 2005

El concepto de la esfera de Dyson fue el resultado de un experimento mental del físico y matemático Freeman Dyson , cuando teorizó que todas las civilizaciones tecnológicas aumentaban constantemente su demanda de energía. Razonó que si la civilización humana ampliaba las demandas de energía el tiempo suficiente, llegaría un momento en que exigiría la producción total de energía del Sol . Propuso un sistema de estructuras en órbita (al que se refirió inicialmente como un caparazón) diseñado para interceptar y recolectar toda la energía producida por el sol. La propuesta de Dyson no detallaba cómo se construiría un sistema de este tipo, sino que se centró solo en cuestiones de recolección de energía, sobre la base de que dicha estructura podría distinguirse por su espectro de emisión inusual en comparación con una estrella. Su artículo de 1960 "Búsqueda de fuentes estelares artificiales de radiación infrarroja", publicado en la revista Science , tiene el mérito de ser el primero en formalizar el concepto de esfera Dyson. [2]

Sin embargo, Dyson no fue el primero en promover esta idea. Se inspiró en el 1937 la ciencia ficción novela fabricante de la estrella , [4] por Olaf Stapledon , y, posiblemente, por las obras de JD Bernal . [5]

Viabilidad [ editar ]

Aunque estas megaestructuras son teóricamente posibles, la construcción de un sistema de esferas Dyson estable está actualmente más allá de la capacidad de ingeniería de la humanidad. El número de naves necesarias para obtener, transmitir y mantener una esfera Dyson completa supera las capacidades industriales actuales. George Dvorsky ha abogado por el uso de robots autorreplicantes para superar esta limitación en un plazo relativamente cercano. [6] Algunos han sugerido que tales hábitats podrían construirse alrededor de enanas blancas [7] e incluso púlsares . [8]

Variantes [ editar ]

En relatos de ficción, el concepto de esfera de Dyson a menudo se interpreta como una esfera artificial hueca de materia alrededor de una estrella. Esta percepción se basa en una interpretación literal del artículo corto original de Dyson que presenta el concepto. En respuesta a las cartas solicitadas por algunos documentos, Dyson respondió: "Una capa sólida o un anillo que rodee una estrella es mecánicamente imposible. La forma de 'biosfera' que imaginé consiste en una colección suelta o enjambre de objetos que viajan en órbitas independientes alrededor de la estrella. . " [9]

Enjambre de Dyson [ editar ]

Un anillo de Dyson, la forma más simple del enjambre de Dyson, a escala. La órbita tiene 1 UA de radio, los colectores tienen 1,0 × 10 7 km de diámetro (10 Gm o ≈25 veces la distancia Tierra-Luna ), espaciados 3 grados de centro a centro alrededor del círculo orbital.
Una disposición relativamente simple de múltiples anillos Dyson del tipo que se muestra arriba, para formar un enjambre Dyson más complejo. Los radios orbitales de los anillos están espaciados 1,5 × 10 7 km entre sí, pero el radio orbital medio sigue siendo 1 AU . Los anillos se giran 15 grados entre sí, alrededor de un eje de rotación común.

La variante más cercana a la concepción original de Dyson es el "enjambre de Dyson". Consiste en una gran cantidad de construcciones independientes (generalmente satélites de energía solar y hábitats espaciales ) que orbitan en una formación densa alrededor de la estrella. Este enfoque de construcción tiene ventajas: los componentes se pueden dimensionar adecuadamente y se pueden construir de forma incremental. [10] Se podrían usar varias formas de transferencia de energía inalámbrica para transferir energía entre los componentes del enjambre y un planeta.

Las desventajas resultantes de la naturaleza de la mecánica orbital harían que la disposición de las órbitas del enjambre fuera extremadamente compleja. La disposición más simple de este tipo es el anillo de Dyson , en el que todas estas estructuras comparten la misma órbita. Patrones más complejos con más anillos interceptarían más de la salida de la estrella, pero darían como resultado que algunas construcciones eclipsaran a otras periódicamente cuando sus órbitas se superpusieran. [11] Otro problema potencial es que la creciente pérdida de estabilidad orbital cuando se agregan más elementos aumenta la probabilidad de perturbaciones orbitales.

Tal nube de colectores alteraría la luz emitida por el sistema estelar (ver más abajo ). Sin embargo, la interrupción en comparación con el espectro emitido natural general de una estrella probablemente sea demasiado pequeña para que la observen los astrónomos terrestres. [2]

Burbuja de Dyson [ editar ]

Una burbuja de Dyson : una disposición de estatuas alrededor de una estrella, en un patrón no orbital. Siempre que un satélite tenga una línea de visión sin obstáculos hacia su estrella, puede flotar en cualquier punto del espacio cerca de su estrella. Esta disposición relativamente simple es solo una de un número infinito de posibles configuraciones de estatitas, y está pensada como un contraste solo para un enjambre de Dyson. Las estatuas se representan con el mismo tamaño que los colectores que se muestran arriba, y están dispuestas a una distancia uniforme de 1 UA de la estrella.

Un segundo tipo de esfera Dyson es la "burbuja Dyson". Sería similar a un enjambre de Dyson, compuesto por muchas construcciones independientes y, de la misma forma, podría construirse de forma incremental.

A diferencia del enjambre de Dyson, las construcciones que lo componen no están en órbita alrededor de la estrella, sino que serían estatuas, satélites suspendidos mediante el uso de enormes velas ligeras que utilizan la presión de la radiación para contrarrestar la fuerza de gravedad de la estrella. Tales construcciones no estarían en peligro de colisión o de eclipsarse entre sí; estarían totalmente estacionarios con respecto a la estrella e independientes entre sí. Debido a que la relación entre la presión de radiación y la fuerza de gravedad de una estrella es constante independientemente de la distancia (siempre que el satélite tenga una línea de visión sin obstáculos con respecto a la superficie de su estrella [12] ), dichos satélites también podrían variar su distancia. de su estrella central.

La practicidad de este enfoque es cuestionable con la ciencia de los materiales moderna , pero aún no se puede descartar. Un satélite 100% reflectante desplegado alrededor del Sol tendría una densidad total de 0,78 gramos por metro cuadrado de vela. [13] Para ilustrar la baja masa de los materiales requeridos, considere que la masa total de una burbuja de dicho material de 1 AU de radio sería de aproximadamente 2,17 × 10 20 kg, que es aproximadamente la misma masa que el asteroide Pallas . [14] Otro ejemplo: el papel de impresión normal tiene una densidad de alrededor de 80 g / m 2 .

Un material de este tipo aún no se ha producido en forma de vela ligera de trabajo. El material de vela ligera de fibra de carbono más ligero que se produce actualmente tiene una densidad, sin carga útil, de 3 g / m 2 , o aproximadamente cuatro veces más pesado de lo que se necesitaría para construir una estatita solar. [15]

Una sola hoja de grafeno , la forma bidimensional del carbono, tiene una densidad de solo 0,37 mg por metro cuadrado, [16] lo que hace que una sola hoja de grafeno sea posiblemente eficaz como una vela solar. Sin embargo, a partir de 2015, el grafeno no se ha fabricado en láminas grandes y tiene una tasa relativamente alta de absorción de radiación, alrededor del 2,3% (es decir, todavía se transmitirá alrededor del 97,7%). [17] [18] Para las frecuencias en el rango superior de GHz e inferior de THz, la tasa de absorción es tan alta como 50-100% debido al sesgo de voltaje y / o al dopaje. [17] [18]

Los nanotubos de carbono ultraligeros mallados mediante técnicas de fabricación molecular tienen densidades entre 1,3 g / m 2 y 1,4 g / m 2 . Para cuando una civilización esté lista para usar esta tecnología, la fabricación de los nanotubos de carbono podría optimizarse lo suficiente como para que tengan una densidad inferior a los 0,7 g / m 2 necesarios , y la densidad media de la vela con aparejo podría mantenerse en 0,3. g / m 2 (una vela ligera con " giro estabilizado " requiere una masa adicional mínima en el aparejo ). Si tal vela pudiera construirse con esta densidad de área , un hábitat espacialel tamaño del cilindro O'Neill propuesto por la Sociedad L5 —500 km 2 , con espacio para más de 1 millón de habitantes, con una masa de 2,72 × 10 9 kg (3 × 10 6 toneladas ) - podría ser sostenido por una vela ligera circular 3000 km de diámetro, con una masa combinada de vela / hábitat de 5,4 × 10 9 kg. [19] A modo de comparación, esto es solo un poco más pequeño que el diámetro de Europa, la luna de Júpiter (aunque la vela es un disco plano, no una esfera), o la distancia entre San Francisco y Kansas City . Sin embargo, tal estructura tendría una masa bastante menor que muchos asteroides. Aunque la construcción de una estatita habitable tan masiva sería una empresa gigantesca, y la ciencia de materiales requerida detrás de ella es una etapa temprana, existen otras hazañas de ingeniería y materiales requeridos propuestos en otras variantes de esferas de Dyson.

En teoría, si se crearan y desplegaran suficientes satélites alrededor de su estrella, compondrían una versión no rígida del caparazón de Dyson que se menciona a continuación. Una carcasa de este tipo no sufriría los inconvenientes de una presión de compresión masiva, ni los requisitos de masa de una carcasa de este tipo son tan altos como la forma rígida. Sin embargo, tal caparazón tendría las mismas propiedades ópticas y térmicas que la forma rígida, y los buscadores lo detectarían de manera similar (ver más abajo ).

Concha de Dyson [ editar ]

Un diagrama recortado de un caparazón de Dyson idealizado, una variante del concepto original de Dyson, con un radio de 1 AU

La variante de la esfera de Dyson representada con mayor frecuencia en la ficción es la "capa de Dyson": una capa sólida uniforme de materia alrededor de la estrella. [20] Tal estructura alteraría completamente las emisiones de la estrella central e interceptaría el 100% de la producción de energía de la estrella. Dicha estructura también proporcionaría una inmensa superficie que muchos imaginan que se usaría como habitación, si la superficie pudiera hacerse habitable.

Una esfera esférica de Dyson en el Sistema Solar con un radio de una unidad astronómica , de modo que la superficie interior recibiría la misma cantidad de luz solar que la Tierra por unidad de ángulo sólido , tendría una superficie de aproximadamente 2,8 × 10 17  km 2. (1,1 × 10 17  millas cuadradas), o aproximadamente 550 millones de veces la superficie de la Tierra. Esto interceptaría los 384,6 yotta vatios completos (3,846 × 10 26 vatios) [21]de la salida del sol. Los diseños sin caparazón interceptarían menos, pero la variante de caparazón representa la máxima energía posible capturada para el Sistema Solar en este punto de la evolución del Sol . [20] Esto es aproximadamente 33 billones de veces el consumo de energía de la humanidad en 1998, que era de 12 teravatios. [22]

Hay varias dificultades teóricas serias con la variante de caparazón sólido de la esfera Dyson:

Tal caparazón no tendría interacción gravitacional neta con su estrella englobada (ver teorema de caparazón ) y podría derivar en relación con la estrella central. Si tales movimientos no se corrigen, eventualmente podrían resultar en una colisión entre la esfera y la estrella, probablemente con resultados desastrosos. Tales estructuras necesitarían alguna forma de propulsión para contrarrestar cualquier deriva, o alguna forma de repeler la superficie de la esfera lejos de la estrella. [13]

Por la misma razón, tal caparazón no tendría interacción gravitacional neta con nada más dentro de él. El contenido de cualquier biosfera colocada en la superficie interna de una capa de Dyson no sería atraído por la superficie de la esfera y simplemente caería dentro de la estrella. Se ha propuesto que una biosfera podría estar contenida entre dos esferas concéntricas, colocadas en el interior de una esfera giratoria (en cuyo caso, la fuerza de la "gravedad" artificial es perpendicular al eje de rotación, provocando que toda la materia colocada en el interior de la esfera para agruparse alrededor del ecuador, convirtiendo efectivamente a la esfera en un anillo de Niven para propósitos de habitación, pero aún completamente efectivo como un colector de energía radiante) o colocada en el exterior de la esfera donde sería sostenida en su lugar por la estrella. gravedad.[23][24] En tales casos, se tendría que idear alguna forma de iluminación, o la esfera se haría al menos parcialmente transparente, porque de otro modo la luz de la estrella estaría completamente oculta. [25]

Si se asume un radio de 1  AU , entonces la resistencia a la compresión del material que forma la esfera tendría que ser inmensa para evitar la implosión debido a la gravedad de la estrella. Cualquier punto seleccionado arbitrariamente en la superficie de la esfera puede verse bajo la presión de la base de una cúpula de 1 UA de altura bajo la gravedad del Sol a esa distancia. De hecho, puede verse como la base de un número infinito de cúpulas seleccionadas arbitrariamente, pero debido a que gran parte de la fuerza de cualquier cúpula arbitraria es contrarrestada por las de otra, la fuerza neta en ese punto es inmensa, pero finita. Ningún material conocido o teorizado es lo suficientemente fuerte como para resistir esta presión y formar una esfera rígida y estática alrededor de una estrella. [26] Ha sido propuesto por Paul Birch.(en relación con construcciones más pequeñas de "Supra-Júpiter" alrededor de un planeta grande en lugar de una estrella) que puede ser posible sostener un caparazón Dyson por medios dinámicos similares a los usados ​​en una fuente espacial . [27] Las masas que viajan en pistas circulares en el interior de la esfera, a velocidades significativamente mayores que la velocidad orbital, presionarían hacia afuera sobre los cojinetes magnéticos debido a la fuerza centrífuga . Para una capa de Dyson de 1 AU de radio alrededor de una estrella con la misma masa que el Sol, una masa que viaja diez veces la velocidad orbital (297,9 km / s) soportaría 99 (a = v 2 / r) veces su propia masa en más estructura de la cáscara.

Además, si se asume un radio de 1 AU, es posible que no haya suficiente material de construcción en el Sistema Solar para construir una carcasa Dyson. Anders Sandberg estima que hay 1,82 × 10 26 kg de material de construcción fácilmente utilizable en el Sistema Solar, suficiente para un caparazón de 1 AU con una masa de 600 kg / m 2, de unos 8 a 20 cm de espesor en promedio, dependiendo de la densidad. del material. Esto incluye los núcleos de difícil acceso de los gigantes del gas; los planetas interiores por sí solos proporcionan sólo 11,79 × 10 24  kg, suficiente para una capa de 1 AU con una masa de sólo 42 kg / m 2 . [14]

El caparazón sería vulnerable a los impactos de cuerpos interestelares, como cometas , meteoroides y material en el espacio interestelar que actualmente está siendo desviado por el arco de choque del Sol . La heliosfera , y cualquier protección que teóricamente proporcione, dejaría de existir.

Otros tipos [ editar ]

Red Dyson [ editar ]

Otra posibilidad es la "red Dyson", una red de cables tendidos alrededor de la estrella que podría tener unidades de recolección de energía o calor tendidas entre los cables. Sin embargo, la red Dyson se reduce a un caso especial de caparazón o burbuja Dyson, dependiendo de cómo se apoyen los cables contra la gravedad del sol.

Bubbleworld [ editar ]

Un mundo de burbujas es una construcción artificial que consiste en una capa de espacio vital alrededor de una esfera de gas hidrógeno. El caparazón contiene aire, personas, casas, muebles, etc. La idea fue concebida para responder a la pregunta: "¿Cuál es la colonia espacial más grande que se puede construir?" [28] Sin embargo, la mayor parte del volumen no es habitable y no hay fuente de energía.

En teoría, cualquier gigante gaseoso podría estar encerrado en una capa sólida; en un cierto radio, la gravedad de la superficie sería terrestre, y la energía podría obtenerse aprovechando la energía térmica del planeta. [28] Este concepto se explora periféricamente en la novela Accelerando (y el cuento Curator , que se incorpora a la novela como un capítulo) de Charles Stross , en el que Saturno se convierte en un mundo habitable por humanos.

Motor estelar [ editar ]

Los motores estelares son una clase de megaestructuras hipotéticas cuyo propósito es extraer energía útil de una estrella, a veces con fines específicos. Por ejemplo, los cerebros de Matrioshka extraen energía con fines de cálculo; Los propulsores de Shkadov extraen energía con fines de propulsión. Algunos de los diseños de motores estelares propuestos se basan en la esfera Dyson. [29]

Un agujero negro podría ser la fuente de energía en lugar de una estrella para aumentar la eficiencia de conversión de materia a energía. Un agujero negro también sería más pequeño que una estrella. Esto disminuiría las distancias de comunicación que serían importantes para sociedades basadas en computadoras como las descritas anteriormente. [28]

Búsqueda de megaestructuras [ editar ]

En el artículo original de Dyson, especuló que las civilizaciones extraterrestres suficientemente avanzadas probablemente seguirían un patrón de consumo de energía similar al de los humanos, y eventualmente construirían su propia esfera de coleccionistas. La construcción de un sistema así convertiría a dicha civilización en una civilización Kardashev de Tipo II . [30]

La existencia de tal sistema de colectores alteraría la luz emitida por el sistema estelar. Los colectores absorberían y volverían a irradiar energía de la estrella. [2] Las longitudes de onda de la radiación emitida por los colectores vendrían determinadas por los espectros de emisión de las sustancias que los componen y la temperatura de los colectores. Porque parece más probable que estos colectores estén formados por elementos pesados ​​que normalmente no se encuentran en los espectros de emisión de su estrella central, o al menos no irradian luz a energías relativamente "bajas" en comparación con lo que estarían emitiendo como energía libre. núcleos en la atmósfera estelar : habría longitudes de onda de luz atípicas para el tipo espectral de la estrellaen el espectro de luz emitido por el sistema estelar. Si el porcentaje de salida de la estrella así filtrado o transformado por esta absorción y reradiación fuera significativo, podría detectarse a distancias interestelares. [2]

Dada la cantidad de energía disponible por metro cuadrado a una distancia de 1 UA del Sol , es posible calcular que la mayoría de las sustancias conocidas estarían reradiando energía en la parte infrarroja del espectro electromagnético . Por lo tanto, una esfera de Dyson, construida por formas de vida no diferentes a los humanos, que habitaban cerca de una estrella similar al Sol , hecha con materiales similares a los disponibles para los humanos, probablemente causaría un aumento en la cantidad de radiación infrarroja en el planeta. espectro emitido del sistema estelar. Por lo tanto, Dyson seleccionó el título "Búsqueda de fuentes estelares artificiales de radiación infrarroja" para su artículo publicado. [2]

SETI ha adoptado estas suposiciones en su búsqueda, buscando tales espectros "infrarrojos pesados" a partir de análogos solares . A partir de 2005, Fermilab tiene un estudio en curso para dichos espectros mediante el análisis de datos del satélite astronómico infrarrojo (IRAS) . [31] [Se necesita cita completa ] [32] Identificar una de las muchas fuentes infrarrojas como una esfera Dyson requeriría técnicas mejoradas para discriminar entre una esfera Dyson y fuentes naturales. [33] Fermilab descubrió 17 posibles candidatos "ambiguos", de los cuales cuatro han sido nombrados "divertidos pero aún cuestionables". [34] [ se necesita cita completa ] Otras búsquedas también dieron como resultado varios candidatos, que, sin embargo, no están confirmados. [35] [36] [37]

El 14 de octubre de 2015, los científicos ciudadanos de Planet Hunters descubrieron fluctuaciones de luz inusuales de la estrella KIC 8462852 , capturada por el Telescopio Espacial Kepler . La estrella fue apodada "Estrella de Tabby" en honor a Tabetha S. Boyajian , la autora principal del estudio inicial. El fenómeno generó especulaciones de que podría haberse descubierto una esfera de Dyson. [38] [39] Un análisis adicional basado en datos hasta fines de 2017 mostró una atenuación dependiente de la longitud de onda consistente con el polvo, pero no con un objeto opaco como una megaestructura alienígena, que bloquearía todas las longitudes de onda de la luz por igual. [40] [41]

Ficción [ editar ]

Artículo principal: esferas de Dyson en la cultura popular

La esfera de Dyson se originó en la ficción, [42] [43] y es un concepto que ha aparecido a menudo en la ciencia ficción desde entonces. En los relatos de ficción, las esferas de Dyson se representan con mayor frecuencia como un caparazón de Dyson con las dificultades gravitacionales y de ingeniería de esta variante señaladas anteriormente en gran parte ignoradas. [20]

Ver también [ editar ]

  • Disco de Alderson  : megaestructura astronómica artificial hipotética
  • Esferas de Dyson en la cultura popular  - Esferas de Dyson representadas en la cultura popular
  • Árbol de Dyson  : planta hipotética modificada genéticamente capaz de crecer dentro de un cometa
  • Globus Cassus  - Proyecto de arte y libro del arquitecto y artista suizo Christian Waldvogel
  • Escala de Kardashev  : método para medir el nivel de avance tecnológico de una civilización
  • Roseta Klemperer  - Tipo de sistema gravitacional
  • Cerebro Matrioshka  : megaestructura hipotética de inmensa capacidad computacional
  • Ingeniería a megaescala  - Forma de ingeniería exploratoria
  • Ingeniería planetaria  : aplicación de tecnología con el fin de influir en los entornos globales de un planeta.
  • Ringworld  - novela de ciencia ficción de 1970 de Larry Niven
  • Levantamiento de estrellas
  • Ingeniería estelar  : modificación artificial hipotética de estrellas
  • Tensegridad  - Principio estructural basado en el uso de componentes aislados en compresión dentro de una red de tensión continua.
  • Terraformación  : proceso hipotético de ingeniería planetaria
  • Tabby's Star  : estrella conocida por eventos de atenuación inusuales

Referencias [ editar ]

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