ダイソン群

恒星の光をすべて捕まえる：文明はどう作れるか、どう見えるか

仮説です。物理学の上では可能ですが、実際に見た人はいません。表示はすべて現在の理論に基づきます。

ステップごとに

恒星の光をすべて捕まえる

この考えにはもっと古い源があります。オラフ・ステープルドンの小説『スター・メイカー』（1937年）で、銀河全体の恒星がその光を捕らえる罠に囲まれています。ダイソンはそれが着想を与えたと述べました。彼自身の論点は実際的でした。恒星のエネルギーを使う文明は、それを熱として返さなければならず、熱は望遠鏡で見えます。

太陽は3.8 × 10²⁶ワットを出します。人類は約2 × 10¹³を使います。カール・セーガンがニコライ・カルダシェフのものから描いたスケールでは、1段上がるごとに出力が100億倍になり、私たちは約0.73にいます。自らの恒星の光をすべて使う文明は2になります。

そのような文明は知られていません。ここにあるものはすべて物理から想像したもので、どう作れるか、どう見えるかを示しています。

殻ではなく群れ

恒星のまわりの固い殻は成り立ちません。約1兆パスカル、鋼が耐えられる量の約千倍に耐えなければならず、しかも恒星へ流れていってしまいます。ダイソンが言ったのは、それぞれ独立した軌道を回る、ばらばらの集光器の群れでした。

地球の距離にある薄い殻は、太陽の引力によって約GMρ/2rの圧力で圧縮されます。アルミニウムの密度の殻では、どれほど薄くても約1.2兆パスカルです。鋼は約10億で降伏します。私たちの知るどんな材料も近づけません。

完全な殻でさえ不安定です。均一な殻の内側では重力が打ち消し合うため、恒星を中心に留めるものがありません。一方への少しのずれが大きくなり、恒星が壁にぶつかります。ダイソン自身、固い殻は力学的に不可能だと述べ、独立した軌道の物体のゆるい群れを思い描きました。

そこでここでの絵は、恒星のまわりのそれぞれの軌道にある鏡または集光器であるパネルの群れです。パネルは本物の数千倍に、恒星は実際より大きく描いてあり、両方が見えるようになっています。

材料はどこから来るか

水星は3.3 × 10²³ kgあります。球に均等に広げると1平方メートルあたり約1.2 kgで、箔のように薄い集光器に必要な量よりはるかに多く、惑星のごく一部で足ります。約3分の2が金属で、建設に向いています。

スチュアート・アームストロングとアンダース・サンドバーグの計画は小さく始まります。水星の最初の工場がさらに工場を作り、それらがまた作るので、作業は何度も倍になります。完成した集光器は太陽を回る軌道に打ち上げられ、次の段階を支えるために電力を返し始めます。

数値は計算です。自己複製する工場はまだ考えにすぎず、私たちにできることをはるかに超えていて、どれだけかかるかはどれだけ速く増えられるかによります。

どう育つか

1平方キロメートルのパネルは恒星の前では小さいものです。千枚ではほとんど光に届かず、1兆枚でもわずかです。数十京枚にもなって初めて恒星は本当に暗くなります。コピーによる成長はそこへ思うより早く届きます。

隅のグラフは、パネルを増やすにつれ捕まる恒星の光の割合で、重なりも数えてあります。最初は枚数に合わせて上がり、新しいパネルが古いものの影に入るため平らになります。すべてには決して届きません。

群れは完成していなくても役立ちます。半分の群れで光の約半分を捕まえ、文明は途中のどこで止めてもかまいません。ここのパネルは本物よりずっと大きく描いてあります。

遠くから

群れが捕まえたものは、すべて返さなければなりません。熱は放射する以外に捨てる方法がありません。地球の距離の群れは約280 K、部屋より少し冷たく、10マイクロメートル付近の波長、中間赤外線で最も強く光ります。

グラフは、恒星自身の光（約0.5マイクロメートルで最も明るい）と群れの熱を示します。同じ曲線、同じ出力を、波長方向に20倍ずらしたものです。光は失われず、可視光から赤外線へ移るだけです。

探し方はこうなります。可視光が弱く、赤外線が強い恒星を探すのです。群れのまわりに描いた赤い輝きは熱のある場所を示します。赤外線は見えません。

内側からの眺め

群れの中では、散らばったパネルの間から恒星が見えます。パネルはそれぞれ光を受けたところで光り、恒星の前を横切るたびに一瞬それを暗くします。通り過ぎるにつれ、昼はちらつきます。

内側からは、パネルの明るい面があなたのほうを向きます。それぞれ鏡または集光器で、恒星の光を捕まえてその中で光るので、空はそれらでいっぱいです。光の粒や、恒星を背にした小さな暗い影です。

恒星の面を横切るパネルは、惑星の通過のように、短く恒星を暗くします。パネルが多ければちらつきは止まらず、群れが濃ければ恒星はすき間から見える赤金色の輝きになるでしょう。

ここの恒星は実際より大きく、パネルはずっと大きく描いてあります。本物のパネルはどの距離でもごく小さな点で、本物の群れは空でこの絵よりずっとまばらでしょう。

暗くなる恒星

2015年、天文学者はKIC 8462852という恒星が、不規則な落ち込みで最大22%暗くなると報告しました。1つの考えは、異星の構造物の群れでした。その後の色の測定は、青い光を赤より多く弱める塵を示しました。

この恒星は、報告したチームを率いたタベサ・ボヤジアンにちなんでボヤジアン星またはタビーの星と呼ばれ、規則的なパターンなしに数日間、最大22%落ち込みました。ジェイソン・ライトとスタインン・シグルドソンは2016年に、異星の構造物の群れを考えられる原因の1つに挙げました。

2018年、ボヤジアンのチームは落ち込みを複数の色で観測しました。1ミリの千分の1より小さい塵の粒のように青い光を赤より多く弱め、固いパネルの群れならしないことでした。パネルはすべての色を同じように遮るからです。今は塵が有力な説明です。

まだ奇妙な恒星です。しかし教訓は残りました。本物の群れは恒星をすべての色で同じように暗くし、赤外線で光るので、探索は両方を確かめなければなりません。ここの塊は描いたものです。

誰か見たことがありますか？

いいえ。群れの赤外線の輝きを探して数百万の恒星が調べられました。2024年、プロジェクト・ヘパイストスは説明できない超過を持つ赤色矮星を7つ見つけましたが、塵や背景銀河で説明できるかもしれません。ダイソン群は考えのままです。

マティアス・スアソ率いるプロジェクト・ヘパイストスは、3つの大規模な全天サーベイ（ガイア、2MASS、WISE）で約500万の恒星をふるいにかけ、可視光で暗すぎ赤外線で明るすぎる恒星を探しました。フィルターでは説明できない赤色矮星を7つ見つけました。

自然な説明は可能です。暗い背景銀河や恒星の近くの塵が超過を説明するかもしれません。天体がもっと鮮明に観測されるまで、この7つはなぞの候補であって、発見ではありません。

これまでのところ、説明にダイソン群を必要とするものはありません。大規模なエネルギー利用が何を残すかの手引きであり続け、探すべき恒星は暗すぎて暖かすぎるものだという注意でもあります。