Внеземные цивилизации могут использовать сферы Дайсона для сбора энергии с черных дыр

Черные дыры способны высвобождать огромное количество энергии через горячие аккреционные диски, окружающую плазму и мощные релятивистские струи. Это делает их потенциальным источником энергии, достаточным для поддержания цивилизации, намного превосходящей нашу. Международная команда исследователей под руководством Национального университета Цинхуа на Тайване изучила, могла бы высокоразвитая внеземная цивилизация построить сферу Дайсона вокруг черной дыры, и задалась вопросом: можно ли обнаружить такую конструкцию с помощью существующих телескопов.

Что такое сфера Дайсона

Сфера Дайсона — это гипотетическая конструкция, которая окружает источник энергии и улавливает его излучение. Полная оболочка была бы механически нестабильна, поэтому исследователи рассмотрели альтернативные варианты: рои, кольца, пузыри и световые паруса.

Шесть способов извлечь энергию из тьмы

Исследователи оценили шесть возможных источников энергии: реликтовое излучение, излучение Хокинга, аккреционный диск, аккреция Бонди, горячая корона и релятивистские струи.

Реликтовое излучение — это остаточное излучение от ранней Вселенной. Черная дыра могла бы служить холодным стоком, а окружающая конструкция собирала бы эту фоновую энергию. Однако доступная мощность была бы слишком низкой для цивилизации II типа, определяемой как способная использовать примерно энергию звезды.

Излучение Хокинга — это теоретическое слабое излучение, возникающее из квантовых эффектов вблизи горизонта событий черной дыры. Для черной дыры с массой в пять раз больше солнечной ожидаемая мощность составляла бы около 10 в минус 30-й степени ватт, тогда как энергопотребление цивилизации II типа составляет примерно 10 в 26-й степени ватт.

Наиболее мощные источники находятся за пределами горизонта событий. Материя, падающая к черной дыре, может образовывать аккреционный диск, где интенсивный нагрев производит излучение. Даже черная дыра звездной массы, работающая при низком отношении Эддингтона — показателе яркости относительно теоретического предела, — могла бы производить в сотни раз больше светимости Солнца. Вращение увеличивает этот показатель. Анализ использовал эффективность аккреции 5,7 процента для невращающейся черной дыры Шварцшильда и 39,9 процента для экстремально вращающейся черной дыры Керра. При одинаковой скорости аккреции диск Керра мог бы быть в семь раз ярче.

Струи как самый мощный источник

Корона черной дыры может добавить еще один существенный источник. Эта чрезвычайно горячая плазма окружает внутренний диск и производит высокоэнергетическое излучение. Команда оценила, что корона могла бы увеличить полезную радиационную мощность примерно на 30–50 процентов сверх мощности диска.

Релятивистские струи могут дать еще больше. Эти узкие потоки плазмы вырываются из полюсов и несут излучение и кинетическую энергию. Излучение струй могло бы составлять около 60–80 процентов светимости диска. Общая мощность струй может быть примерно в 10 раз больше их радиационной мощности.

Для черной дыры с массой в пять солнечных при низком отношении Эддингтона исследователи рассчитали общую энергию струи примерно в 1,7 миллиона солнечных светимостей. Вокруг сверхмассивной черной дыры, подобной Стрельцу А* в центре нашей галактики, объединенная мощность диска, короны и струй могла бы поднять цивилизацию до уровня по шкале Кардашева, соответствующего использованию энергии в галактическом масштабе.

Инженерные проблемы

Сбор такой энергии создает серьезные инженерные проблемы. Структура, поглощающая излучение диска, должна была бы находиться за пределами диска. Вероятный диапазон для горячей системы составлял от 1000 до 100 000 радиусов Шварцшильда, в зависимости от температуры, светимости и массы черной дыры.

Известные твердые материалы потребовали бы большего расстояния. Чтобы поддерживать структуру при температуре не выше 3000 кельвинов, команда рассчитала расстояния около 7,12 миллиона радиусов Шварцшильда для черной дыры с массой в пять солнечных и 11,3 миллиона для черной дыры с массой в 20 солнечных.

Тепло как улика

Никакое преобразование энергии не является совершенным. Цивилизация могла бы использовать часть захваченной мощности, но остальное уходило бы как тепло. В зависимости от температуры и расстояния конструкции это свечение могло бы проявляться в ультрафиолетовом, видимом, ближнем инфракрасном или среднем инфракрасном диапазонах.

Команда смоделировала черную дыру с массой в пять солнечных на расстоянии 10 килопарсек, что составляет около одной трети диаметра Млечного Пути. В предложенных конфигурациях горячие и твердые системы коллекторов были бы достаточно яркими для обнаружения существующими обзорными инструментами. Потенциальные инструменты включают камеру WFC3 космического телескопа Хаббла, ультрафиолетовые обзоры GALEX, Pan-STARRS1, обзор VISTA Hemisphere, широкоугольный инфракрасный обзор WISE и Слоановский цифровой небесный обзор. Более близкая или более массивная система выглядела бы ярче.

Обнаружение оставалось бы трудным. Пыль могла бы затемнять ультрафиолетовый и видимый свет, в то время как звезды-компаньоны, планеты и обычное поведение рентгеновских двойных систем могли бы имитировать части сигнала. Небольшая степень покрытия или низкая эффективность передачи могли бы скрыть избыточное тепло под нормальным излучением.

Как искать

Авторы рекомендуют начать с известных черных дыр и кандидатов. Астрономы могли бы сравнить несколько диапазонов длин волн и построить полное распределение спектральной энергии. Необъяснимый тепловой всплеск, особенно несовместимый со звездой-компаньоном, мог бы оправдать более пристальное изучение.

Спектроскопия могла бы отделить искусственное тепло от холодных звезд, спектры которых содержат сильные молекулярные полосы. Измерения лучевых скоростей могли бы проверить, имеет ли видимый компаньон достаточно массы, чтобы быть звездой или планетой. Система коллекторов должна была бы иметь гораздо меньшую массу.

Исследование не предоставляет доказательств существования сфер Дайсона. Оно определяет физические сигнатуры, которые могли бы направлять поиски с использованием данных, уже собранных крупными небесными обзорами. Вместо поиска только преднамеренных сообщений или видимых структур астрономы могли бы искать необычное тепло вокруг известных черных дыр. Сильные кандидаты сочетали бы неожиданное ультрафиолетовое, оптическое или инфракрасное излучение с диском, который выглядит тусклее, чем позволяет его физическое состояние.

Такие поиски также могли бы уточнить модели обычных черных дыр. Любой кандидат должен был бы пройти проверки на наличие пыли, звездных компаньонов, изменений аккреции и спектральных особенностей, прежде чем искусственное объяснение стало бы убедительным. Главный вывод проверяем: черные дыры могли бы дать достаточно энергии для чрезвычайно развитой цивилизации, и неизбежное выделение тепла дает способ их поиска.