Essaim de Dyson

Capter toute la lumière d'une étoile : comment une civilisation pourrait le construire, et à quoi il ressemblerait

Une hypothèse : la physique la permet sur le papier, mais personne n'en a jamais vu. Tout suit la théorie telle qu'elle est.

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Étape par étape

Capter toute la lumière d'une étoile

L'idée a une source plus ancienne : le roman Star Maker d'Olaf Stapledon (1937), où les étoiles de toute une galaxie sont ceintes de pièges à leur lumière. Dyson a dit que cela lui avait donné l'idée. Son propre argument était pratique : une civilisation qui utiliserait l'énergie d'une étoile devrait la rendre sous forme de chaleur, et la chaleur, les télescopes savent la voir.

Le Soleil rayonne 3,8 × 10²⁶ watts. L'humanité en utilise environ 2 × 10¹³. Sur l'échelle que Carl Sagan a tirée de celle de Nikolaï Kardachev, où chaque échelon entier est un facteur dix milliards en puissance, cela nous place vers 0,73. Une civilisation qui utiliserait toute la lumière de son étoile serait à 2.

Aucune civilisation de ce genre n'est connue. Tout ici est imaginé à partir de la physique : comment on pourrait en construire une, et à quoi elle ressemblerait.

Pas une coque, un essaim

Une coque solide autour d'une étoile ne tiendrait pas. Elle devrait supporter environ mille milliards de pascals, quelque mille fois ce que l'acier supporte, et elle dériverait vers l'étoile. Ce que Dyson entendait, c'était un essaim de collecteurs séparés, chacun sur sa propre orbite.

Une coque mince à la distance de la Terre est comprimée par l'attraction du Soleil avec une pression d'environ GMρ/2r : pour une coque à la densité de l'aluminium, autour de 1,2 mille milliards de pascals, si mince soit-elle. L'acier cède vers un milliard. Aucun matériau connu n'en approche.

Même une coque parfaite serait instable. À l'intérieur d'une coque uniforme, la gravité s'annule : rien ne maintient l'étoile au centre, et toute dérive d'un côté s'amplifie jusqu'à ce que l'étoile touche la paroi. Dyson lui-même jugeait une coque solide mécaniquement impossible et imaginait un essaim lâche de corps sur des orbites indépendantes.

L'image ici est donc un essaim de panneaux, chacun un miroir ou un collecteur sur sa propre orbite autour de l'étoile. Les panneaux sont dessinés des milliers de fois plus grands que de vrais, et l'étoile plus grosse qu'elle n'est, pour que les deux se voient.

D'où viendrait la matière

Mercure pèse 3,3 × 10²³ kg. Répartis uniformément sur la sphère, cela fait environ 1,2 kg sur chaque mètre carré, bien plus que ce qu'il faut à des collecteurs minces comme une feuille, donc une fraction de la planète suffirait. Environ les deux tiers sont du métal, bon à construire.

Le plan de Stuart Armstrong et Anders Sandberg commence petit : une première usine sur Mercure en construit d'autres, qui en construisent d'autres, si bien que le travail double encore et encore. Les collecteurs terminés sont lancés en orbite autour du Soleil et se mettent à rendre de l'énergie pour alimenter la ronde suivante.

Les chiffres sont du calcul. Les usines qui se copient elles-mêmes sont une idée, bien au-delà de ce que nous savons faire, et le temps qu'il faudrait dépend de la vitesse à laquelle elles pourraient se multiplier.

Comment il grandirait

Des panneaux d'un kilomètre carré sont petits à côté d'une étoile. Mille entament à peine sa lumière et mille milliards changent peu de chose ; ce n'est qu'avec des centaines de millions de milliards que l'étoile faiblit pour de bon. La croissance par copie y arrive plus vite qu'on ne pense.

Le graphique dans le coin est la part de la lumière de l'étoile captée à mesure qu'on ajoute des panneaux, recouvrements comptés. Au début elle monte au rythme de leur nombre, puis s'aplatit, car les nouveaux panneaux tombent dans l'ombre des anciens. Elle n'atteint jamais tout à fait la totalité.

Un essaim n'a pas besoin d'être achevé pour servir : la moitié d'un essaim capte à peu près la moitié de la lumière, et une civilisation pourrait s'arrêter n'importe où. Les panneaux ici sont dessinés bien plus grands que de vrais.

De loin

Tout ce qu'un essaim capte, il doit le rendre : aucune civilisation ne peut se débarrasser de la chaleur autrement qu'en la rayonnant. Un essaim à la distance de la Terre serait à environ 280 K, un peu plus froid qu'une pièce, et brillerait le plus fort à une longueur d'onde voisine de 10 micromètres, dans l'infrarouge moyen.

Le graphique montre la lumière propre de l'étoile, la plus vive près d'un demi-micromètre, et la chaleur de l'essaim. C'est la même courbe, la même puissance, décalée en longueur d'onde d'un facteur vingt : la lumière n'est pas perdue, seulement déplacée du visible vers l'infrarouge.

C'est ainsi qu'on chercherait : une étoile à faible lumière visible et à fort infrarouge. La lueur rouge dessinée autour de l'essaim montre où est la chaleur ; l'infrarouge ne se voit pas.

La vue de l'intérieur

Dans l'essaim, vous verriez l'étoile à travers un semis de panneaux. Chacun scintille là où il attrape la lumière, et chacun qui croise l'étoile la voile un instant. Le jour vacillerait à leur passage.

De l'intérieur, les faces brillantes des panneaux se tournent vers vous. Chacun est un miroir ou un collecteur, qui capte la lumière de l'étoile et scintille en elle, si bien que le ciel en est plein : des éclats de lumière, ou de petites formes sombres devant l'étoile.

Un panneau qui passe devant l'étoile la voile brièvement, comme le fait une planète lors d'un transit. Avec beaucoup de panneaux, le vacillement ne s'arrêterait jamais, et si l'essaim était épais, l'étoile serait une lueur rouge et or vue par les trous.

L'étoile ici est dessinée plus grosse qu'elle ne serait et les panneaux bien plus grands. Un vrai panneau est un grain à n'importe quelle distance, et un vrai essaim serait bien plus clairsemé dans le ciel que cette image.

L'étoile qui faiblit

En 2015, des astronomes ont signalé une étoile, KIC 8462852, qui faiblissait jusqu'à 22 % en creux irréguliers. Une idée fut un essaim de structures extraterrestres. Des mesures de couleur ultérieures ont pointé vers de la poussière, qui affaiblit plus la lumière bleue que la rouge.

L'étoile, appelée étoile de Boyajian ou étoile de Tabby d'après Tabetha Boyajian, qui dirigeait l'équipe qui l'a signalée, a baissé jusqu'à 22 % pendant des jours, sans aucun motif régulier. Jason Wright et Steinn Sigurdsson ont compté en 2016 un essaim de structures extraterrestres parmi les causes possibles.

En 2018, l'équipe de Boyajian a observé les creux en plusieurs couleurs. Ils affaiblissaient plus la lumière bleue que la rouge, comme le feraient des grains de poussière plus petits qu'un millième de millimètre, et comme ne le ferait pas un essaim de panneaux solides, puisque les panneaux bloquent toutes les couleurs pareillement. La poussière est aujourd'hui l'explication principale.

C'est encore une étoile étrange. Mais la leçon est restée : un vrai essaim affaiblirait une étoile également à toutes les couleurs et rayonnerait dans l'infrarouge, donc une recherche doit vérifier les deux. Les amas ici sont dessinés.

Quelqu'un en a-t-il vu un ?

Non. Des sondages ont passé au crible des millions d'étoiles à la recherche de la lueur infrarouge d'un essaim. En 2024, le projet Hephaistos a trouvé sept naines rouges présentant un excès inexpliqué, mais de la poussière ou des galaxies d'arrière-plan peuvent l'expliquer. Un essaim de Dyson reste une idée.

Le projet Hephaistos, dirigé par Matías Suazo, a passé au crible environ cinq millions d'étoiles dans trois grands relevés du ciel (Gaia, 2MASS et WISE) à la recherche d'étoiles trop faibles en lumière visible et trop brillantes en infrarouge. Il a trouvé sept naines rouges que ses filtres n'ont pas su expliquer.

Des explications naturelles sont possibles : de faibles galaxies d'arrière-plan ou de la poussière près des étoiles pourraient rendre compte de l'excès. Tant que les sources ne sont pas observées plus nettement, les sept sont des candidates à une énigme, pas une découverte.

Rien jusqu'ici n'a besoin d'un essaim de Dyson pour s'expliquer. Il reste un guide de ce que laisserait un usage de l'énergie à très grande échelle, et un rappel que l'étoile à chercher est celle qui paraît trop faible et trop chaude.