Сферы Дайсона и Миры-Кольца: построить электростанцию размером со звезду – реально

Сферы Дайсона и орбитальные кольца давно стали классикой научной фантастики. Речь идет о гигантских конструкциях, которые могли бы полностью окружить планету или звезду. Сфера Дайсона задумана как колоссальная полая оболочка вокруг светила, способная улавливать всю его энергию для нужд человечества. Орбитальное кольцо – еще один тип подобных сооружений, на внутренней поверхности которого люди могли бы жить, используя энергию центрального светила. До недавнего времени физики считали такие проекты неосуществимыми: под действием гравитации конструкции неминуемо разрушились бы. Однако ученый из Шотландии доказал, что они все же могут существовать в стабильном состоянии при определенных условиях.

Автора открытия зовут Колин Макиннес – он профессор инженерных наук, заведующий кафедрой имени Джеймса Уатта в Университете Глазго. Мужчина признается, что интерес к подобным идеям у него возник еще в студенческие годы после знакомства с циклом романов Ларри Нивена "Мир-Кольцо".

Концепцию гигантской сферической оболочки вокруг звезды физик Фримен Дайсон впервые описал в 1960 году в журнале Science. Для строительства такого сооружения в Солнечной системе потребовалось бы количество материала, сравнимое с массой Юпитера. По задумке ученого, сфера располагалась бы на расстоянии двух астрономических единиц от Солнца (вдвое дальше земной орбиты). Несмотря на колоссальные размеры, толщина стенок составила бы всего несколько метров, но этого хватило бы для сбора всей энергии светила. Дайсон вообще полагал, что развитие цивилизаций неизбежно приведет к созданию подобных установок из-за постоянно растущих потребностей в питании новых технологий.

Если наши братья по разуму из далеких миров уже построили такие сферы, у астрономов есть шанс их обнаружить. Хотя сама конструкция поглощала бы большую часть видимого света своей звезды и выглядела бы как темное пятно в космосе, она неизбежно нагревалась бы. В результате тепло переизлучалось бы обратно в космос в инфракрасном диапазоне.

Но у идеи был один серьезный недостаток. Согласно теореме Ньютона, результирующая гравитационных сил внутри полой сферы равна нулю. Поэтому даже малейшее отклонение звезды от центра, вызванное неидеальностью конструкции или внешними факторами, порождало бы неравномерное распределение сил тяготения. Возникающие при этом механические напряжения, как уже говорилось выше, неизбежно привели бы к разрушению оболочки.

Схожие трудности в теории возникали и с гигантскими кольцевыми конструкциями, описанными в романах Ларри Нивена. Любое кольцо, окружающее звезду или планету, теряло устойчивость: малейший гравитационный дисбаланс заставил бы его сместиться и в итоге столкнуться с центральным небесным телом.

Итак, вместо одиночной звезды Макиннес рассмотрел систему двух равных по массе тел, обращающихся по круговым орбитам друг относительно друга. В этой системе ученый исследовал поведение кольца, масса которого настолько мала, что практически не влияет на движение основных тел. Такое кольцо могло располагаться тремя способами: охватывая оба тела, окружая только одно из них или находясь в стороне от обоих.

Новый подход, хотя и не столь сложный как классическая задача трех тел (которая до сих пор не имеет точного аналитического решения), позволил сделать важное открытие. В плоскости орбит двойной системы существует семь особых точек равновесия. Расположив центр кольца в любой из них, можно добиться стабильного положения всей конструкции. Эти точки подобны знаменитым точкам Лагранжа – областям пространства, где малое тело может "зависать" между двумя массивными объектами благодаря точному балансу гравитационных сил.

При поиске оптимального положения для кольца ученый выявил две критические зоны – области возможных столкновений, то есть окружности, показывающие, где конструкция может соприкоснуться с одним из тел системы. Из семи точек равновесия одна позволяет кольцу охватить оба массивных тела, две точки подходят для окружения одного из тел, а остальные четыре обеспечивают устойчивое положение кольца без охвата каких-либо объектов.

На прямой линии, соединяющей центры масс двух тел, ученый обнаружил пять точек равновесия. Еще две точки, которые он назвал "треугольными", располагаются на перпендикулярной прямой, проходящей через центр системы. При этом их положение не фиксировано – оно меняется в зависимости от диаметра кольцевой конструкции. В ходе исследования Макиннес также математически обосновал возможность создания стабильных колец, ориентированных вертикально – перпендикулярно плоскости, в которой вращаются оба тела системы.

Схожие результаты были получены и для сферы Дайсона, масса которой пренебрежимо мала по сравнению с массами двух основных тел системы. В своих расчетах ученый представил такую сферу как множество одинаковых по размеру колец, центры которых совпадают. Применение теоремы Ньютона позволило значительно упростить математический анализ: оказалось, что любое тело, находящееся за пределами сферы, взаимодействует с ней так же, как если бы вся масса сферической оболочки была сконцентрирована в её центре.

Если подвести краткий итог, можно сказать, что сфера может стабильно существовать в двойной системе, если меньшее тело имеет радиус примерно вдвое меньше большего – при условии одинаковой плотности обоих объектов.

Теперь астрономам стоит внимательнее присматриваться к двойным звездным системам, где рядом с ярким светилом обращается объект с необычно высоким инфракрасным излучением. Подобные конструкции теоретически могут существовать не только у пар звезд, но и у систем звезда-экзопланета или даже экзопланета-экзопланета. Более того, математика не исключает возможности создания нескольких сфер Дайсона, вложенных одна в другую. Но это уже материал для новых, еще более скрупулезных исследований.