Bầy Dyson

Bắt trọn ánh sáng của một ngôi sao: nền văn minh có thể xây nó thế nào và trông nó ra sao

Một giả thuyết: vật lý cho phép trên giấy, nhưng chưa ai từng thấy. Mọi thứ theo lý thuyết hiện nay.

Từng bước

Bắt trọn ánh sáng của một ngôi sao

Ý tưởng có nguồn cũ hơn: tiểu thuyết Star Maker của Olaf Stapledon (1937), nơi các ngôi sao của cả một thiên hà được bao quanh bằng những cái bẫy ánh sáng của chúng. Dyson nói chính nó gợi ý cho ông. Điểm của ông thì thực tế: một nền văn minh dùng năng lượng của sao sẽ phải trả lại nó dưới dạng nhiệt, và nhiệt là thứ kính thiên văn thấy được.

Mặt Trời phát ra 3,8 × 10²⁶ watt. Nhân loại dùng khoảng 2 × 10¹³. Trên thang mà Carl Sagan vẽ từ thang của Nikolai Kardashev, nơi mỗi bậc nguyên là hệ số mười tỷ về công suất, điều đó đặt ta ở khoảng 0,73. Một nền văn minh dùng toàn bộ ánh sáng sao của mình sẽ ở mức 2.

Không biết có nền văn minh nào như thế. Mọi thứ ở đây được hình dung từ vật lý: cách một cái có thể được xây và trông nó ra sao.

Không phải vỏ, mà là bầy

Một lớp vỏ đặc quanh ngôi sao sẽ không hoạt động. Nó phải chịu khoảng một nghìn tỷ pascal, gấp ngàn lần thép chịu được, và nó sẽ trôi vào ngôi sao. Điều Dyson muốn nói là một bầy bộ thu riêng rẽ, mỗi cái trên quỹ đạo riêng.

Một lớp vỏ mỏng ở khoảng cách Trái Đất bị lực hút của Mặt Trời nén với áp suất cỡ GMρ/2r: với vỏ có khối lượng riêng của nhôm, khoảng 1,2 nghìn tỷ pascal, dù mỏng đến đâu. Thép chịu thua ở khoảng một tỷ. Không vật liệu nào ta biết tiến gần được.

Ngay cả một lớp vỏ hoàn hảo cũng không ổn định. Bên trong vỏ đều, lực hấp dẫn triệt tiêu, nên không gì giữ ngôi sao ở tâm: mọi lệch về một phía lớn dần, cho đến khi ngôi sao chạm vách. Chính Dyson gọi vỏ đặc là bất khả thi về cơ học và hình dung một bầy vật thể lỏng lẻo trên các quỹ đạo độc lập.

Vì vậy hình ở đây là một bầy tấm, mỗi tấm là gương hay bộ thu trên quỹ đạo riêng quanh ngôi sao. Các tấm được vẽ lớn hơn thật hàng nghìn lần, và ngôi sao lớn hơn thật, để thấy được cả hai.

Vật liệu từ đâu ra

Sao Thủy nặng 3,3 × 10²³ kg. Trải đều lên hình cầu là khoảng 1,2 kg trên mỗi mét vuông, nhiều hơn nhiều so với bộ thu mỏng như lá kim loại cần, nên một phần nhỏ hành tinh là đủ. Khoảng hai phần ba là kim loại, tốt để xây dựng.

Kế hoạch của Stuart Armstrong và Anders Sandberg bắt đầu nhỏ: nhà máy đầu tiên trên sao Thủy xây thêm nhà máy, chúng lại xây thêm, nên công việc nhân đôi hết lần này đến lần khác. Các bộ thu hoàn thành được phóng lên quỹ đạo quanh Mặt Trời và bắt đầu trả lại điện để nuôi vòng tiếp theo.

Các con số là phép tính. Nhà máy tự sao chép là một ý tưởng, vượt xa những gì ta làm được, và mất bao lâu tùy vào việc chúng nhân lên nhanh cỡ nào.

Nó sẽ lớn lên thế nào

Tấm một ki-lô-mét vuông nhỏ bên cạnh một ngôi sao. Một nghìn tấm gần như không làm mờ ánh sáng và một nghìn tỷ tấm cũng chẳng bao nhiêu; chỉ khi có hàng trăm triệu tỷ ngôi sao mới mờ đi thật sự. Lớn lên bằng cách sao chép đến đó nhanh hơn ta tưởng.

Biểu đồ ở góc là phần ánh sáng sao bị bắt khi thêm tấm, tính cả chồng lấn. Lúc đầu nó tăng theo số lượng, rồi phẳng dần vì tấm mới rơi vào bóng của tấm cũ. Nó không bao giờ hoàn toàn đạt tất cả.

Bầy không cần hoàn thành mới có ích: nửa bầy bắt khoảng nửa ánh sáng, và một nền văn minh có thể dừng ở bất cứ điểm nào. Các tấm ở đây được vẽ lớn hơn thật rất nhiều.

Từ xa

Bầy bắt được gì cũng phải trả lại: không nền văn minh nào bỏ được nhiệt trừ khi bức xạ nó đi. Một bầy ở khoảng cách Trái Đất sẽ ở khoảng 280 K, lạnh hơn một căn phòng chút ít, và sáng mạnh nhất ở bước sóng gần 10 micromet, trong hồng ngoại giữa.

Biểu đồ cho thấy ánh sáng của chính ngôi sao, sáng nhất gần nửa micromet, và nhiệt của bầy. Chúng là cùng một đường cong, cùng công suất, dịch dọc bước sóng theo hệ số hai mươi: ánh sáng không mất, chỉ được chuyển từ vùng nhìn thấy sang hồng ngoại.

Người ta sẽ tìm như thế: một ngôi sao có ánh sáng thấy được thấp và hồng ngoại cao. Ánh đỏ vẽ quanh bầy chỉ nơi có nhiệt; hồng ngoại thì không thấy được.

Cảnh nhìn từ bên trong

Bên trong bầy bạn sẽ thấy ngôi sao qua một đám tấm rải rác. Mỗi tấm lóe sáng nơi nó bắt ánh sáng, và mỗi tấm đi ngang qua sao làm nó mờ đi thoáng chốc. Ban ngày sẽ nhấp nháy khi chúng đi qua.

Từ bên trong, các mặt sáng của tấm quay về phía bạn. Mỗi tấm là gương hay bộ thu, bắt ánh sáng sao và lóe lên trong đó, nên bầu trời đầy chúng: những đốm sáng, hay hình tối nhỏ trước ngôi sao.

Một tấm đi ngang mặt sao làm nó mờ thoáng chốc, như hành tinh trong một lần đi qua. Với nhiều tấm, sự nhấp nháy sẽ không ngừng, và nếu bầy dày, ngôi sao sẽ là một ánh đỏ vàng nhìn qua các khe hở.

Ngôi sao ở đây được vẽ lớn hơn thật và các tấm lớn hơn nhiều. Một tấm thật chỉ là hạt bụi ở mọi khoảng cách, và một bầy thật sẽ thưa hơn nhiều trên bầu trời so với hình này.

Ngôi sao mờ đi

Năm 2015 các nhà thiên văn báo về một ngôi sao, KIC 8462852, mờ đi tới 22% theo những lần sụt không đều. Một ý tưởng là bầy công trình của người ngoài hành tinh. Các phép đo màu sau đó chỉ về bụi, thứ làm mờ ánh sáng xanh nhiều hơn ánh sáng đỏ.

Ngôi sao, gọi là sao Boyajian hay sao Tabby theo Tabetha Boyajian, người dẫn đầu nhóm báo về nó, sụt tới 22% trong nhiều ngày, không theo quy luật nào. Jason Wright và Steinn Sigurdsson năm 2016 đưa một bầy công trình ngoài hành tinh vào số các nguyên nhân có thể.

Năm 2018 nhóm của Boyajian theo dõi các lần sụt ở nhiều màu. Chúng làm mờ ánh sáng xanh nhiều hơn đỏ, như các hạt bụi nhỏ hơn một phần nghìn milimét, và như một bầy tấm đặc sẽ không làm, vì tấm chắn mọi màu như nhau. Bụi hiện là lời giải thích hàng đầu.

Nó vẫn là một ngôi sao lạ. Nhưng bài học còn đó: một bầy thật sẽ làm sao mờ đi như nhau ở mọi màu và phát sáng ở hồng ngoại, nên một cuộc tìm kiếm phải kiểm tra cả hai. Các cụm ở đây được vẽ.

Đã có ai thấy chưa?

Chưa. Các cuộc khảo sát đã tìm hàng triệu ngôi sao để tìm ánh hồng ngoại của một bầy. Năm 2024 Dự án Hephaistos thấy bảy sao lùn đỏ có phần dư chưa giải thích được, nhưng bụi hay các thiên hà nền có thể giải thích. Bầy Dyson vẫn chỉ là một ý tưởng.

Dự án Hephaistos, do Matías Suazo dẫn đầu, sàng khoảng năm triệu ngôi sao trong ba đợt khảo sát bầu trời lớn (Gaia, 2MASS và WISE) để tìm những sao quá mờ ở ánh sáng thấy được và quá sáng ở hồng ngoại. Nó tìm được bảy sao lùn đỏ mà bộ lọc không giải thích được.

Có những giải thích tự nhiên: các thiên hà nền mờ hay bụi gần các ngôi sao có thể giải thích phần dư. Cho đến khi các nguồn được nhìn rõ hơn, bảy sao này là ứng viên cho một câu đố, chứ không phải một khám phá.

Cho đến nay không gì cần đến một bầy Dyson để giải thích. Nó vẫn là chỉ dẫn về điều việc dùng năng lượng quy mô khổng lồ sẽ để lại, và nhắc rằng ngôi sao cần tìm là ngôi sao trông quá mờ và quá ấm.