天體物理學(xué)家提出一種尋找外星巨型結(jié)構(gòu)的天才新方法

1960年，傳奇物理學(xué)家弗里曼·戴森發(fā)表了他的開(kāi)創(chuàng)性論文”尋找人造恒星紅外輻射源“，他提出可能存在如此先進(jìn)的外星文明，以至于它們可以建造足夠大的巨型結(jié)構(gòu)來(lái)包圍它們的母星。

他還表示，這些”戴森球“，正如它們所知，可以根據(jù)它們?cè)谥屑t外波長(zhǎng)發(fā)射的”廢熱“進(jìn)行檢測(cè)。

直到今天，紅外特征仍被認(rèn)為是可行的技術(shù)簽名尋找外星智慧（SETI）。

到目前為止，通過(guò)“廢熱”特征檢測(cè)戴森球（及其變體）的努力都是空的，導(dǎo)致一些科學(xué)家建議調(diào)整搜索參數(shù)。

在一個(gè)新紙，天文學(xué)和天體物理學(xué)教授杰森·賴(lài)特的系外行星和宜居世界中心和賓夕法尼亞州立大學(xué)外星智能中心（PSTI）建議SETI研究人員通過(guò)尋找活動(dòng)跡象來(lái)完善搜索。換句話(huà)說(shuō)，他建議根據(jù)戴森球的用途來(lái)尋找它們，而不僅僅是熱信號(hào)。

賴(lài)特研究的關(guān)鍵是蘭茨貝格極限，這是一個(gè)概念熱力學(xué)這代表了收集太陽(yáng)輻射的理論效率極限。

這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)榇魃畛醯奶嶙h主要是基于所有生命都利用自由能梯度的想法，就像光合作用生命形式依賴(lài)它產(chǎn)生氧氣和有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)一樣。

他進(jìn)一步認(rèn)為，技術(shù)先進(jìn)的生命可以發(fā)展到利用和利用更多的這種能量。然而，這種能力有一個(gè)絕對(duì)的極限：恒星釋放的總能量（可見(jiàn)光、紅外線(xiàn)、紫外線(xiàn)等）。

由于能量必須守恒，弗里曼·戴森推斷，其中一些能量必須作為廢熱從戴森結(jié)構(gòu)中排出。利用紅外天文學(xué)的進(jìn)步，這是戴森時(shí)代蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域，天文學(xué)家理論上可以通過(guò)尋找這種熱量來(lái)測(cè)量先進(jìn)文明使用的能量。

迄今為止，只進(jìn)行了三項(xiàng)全天空中紅外研究，包括紅外天文衛(wèi)星（愛(ài)爾蘭共和軍），寬視場(chǎng)紅外勘測(cè)探測(cè)器（明智），以及阿卡里.

“傳統(tǒng)上，我們尋找來(lái)自恒星的紅外發(fā)射，看看它們是否有來(lái)自星光的軌道物質(zhì)，”賴(lài)特通過(guò)電子郵件告訴今日宇宙。

“如果它不是那種通常有物質(zhì)繞行的恒星，那么我們可以更仔細(xì)地觀(guān)察這些物質(zhì)是否看起來(lái)像塵?；蚱渌麞|西。

然而，迄今為止嘗試的所有搜索都受到了以下事實(shí)的阻礙：由于戴森球材料的性質(zhì)仍然未知，因此沒(méi)有關(guān)于廢熱外觀(guān)的基本理論。

天體物理學(xué)家（包括賴(lài)特本人）已經(jīng)提出了幾種理論模型來(lái)解釋它們的熱特征可能是什么樣子，但這些模型相當(dāng)簡(jiǎn)單，并且基于許多假設(shè)。

這些包括殼層的球?qū)ΨQ(chēng)性及其與恒星的軌道距離，同時(shí)無(wú)法預(yù)測(cè)材料的典型溫度，輻射相互作用或光學(xué)深度。

這就提出了賴(lài)特考慮的另一個(gè)重要概念，這與戴森結(jié)構(gòu)的目的有關(guān)（它執(zhí)行什么“功”？），從中可以推斷出其材料特性。

戴森承認(rèn)，捕捉恒星的能量只是建造這樣一個(gè)巨型結(jié)構(gòu)的一個(gè)可能的動(dòng)機(jī)。例如，一些SETI研究人員提出，戴森結(jié)構(gòu)可以用作可以移動(dòng)恒星的恒星引擎（a什卡多夫推進(jìn)器）或作為大型超級(jí)計(jì)算機(jī)（Matrioshka Brain）。

與其同名一樣，Matrioshka Brain具有嵌套結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)層吸收直射陽(yáng)光，外層利用內(nèi)層的廢熱來(lái)優(yōu)化計(jì)算效率。

此外，賴(lài)特還解決了建造這種結(jié)構(gòu)的工程挑戰(zhàn)。戴森將物理定律作為巨型結(jié)構(gòu)存在的唯一基礎(chǔ)，而賴(lài)特也考慮了所涉及的工程實(shí)用性。

由此，他大膽地認(rèn)為，文明可能會(huì)被激勵(lì)逐漸建造一個(gè)球體的各個(gè)部分，以逐漸增加它們?cè)诤阈侵車(chē)囊司芋w積。

考慮到所有這些，賴(lài)特將輻射的熱力學(xué)應(yīng)用于戴森球作為計(jì)算機(jī)，以及可觀(guān)察到的后果是什么。

他得出的結(jié)論是，制造巢殼幾乎沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，質(zhì)量的最佳利用將有利于更小，更熱的戴森球。此外，他指出，“完整的”戴森球（完全圍繞恒星組裝）和仍在進(jìn)行中的戴森球之間將存在可觀(guān)察到的差異。

正如賴(lài)特所解釋的那樣：

“與一些作者的期望相反，戴森球體會(huì)非常大和冷，以最大限度地提高其效率，我發(fā)現(xiàn)對(duì)于固定的質(zhì)量預(yù)算，最佳配置實(shí)際上是非常小的熱球體，這些球體捕獲大部分但不是全部逃逸的光。我們可能會(huì)將我們的搜索參數(shù)擴(kuò)展到遠(yuǎn)高于300K（比地球熱一點(diǎn)）的溫度，因?yàn)樾枪獾墓ぷ魈崛≡诳拷阈堑牡胤礁行?，那里的東西更熱。

這些發(fā)現(xiàn)可能有助于為未來(lái)對(duì)戴森結(jié)構(gòu)的搜索提供信息，不幸的是，戴森結(jié)構(gòu)目前受到限制。

一個(gè)值得注意的例外是天體物理學(xué)博士生的工作。馬蒂亞斯·蘇阿佐（烏普薩拉大學(xué)）和他在赫菲斯托斯項(xiàng)目的同事。

蘇阿佐介紹了他們的作品早在六月作為第二屆賓夕法尼亞州立大學(xué)SETI年度研討會(huì)，他解釋了項(xiàng)目科學(xué)家如何結(jié)合來(lái)自歐空局的數(shù)據(jù)蓋亞天文臺(tái),兩微米全天空巡天（2MASS）和美國(guó)宇航局的寬視場(chǎng)紅外勘測(cè)探測(cè)器（WISE）縮小對(duì)可能表明存在巨型結(jié)構(gòu)的熱特征的搜索范圍。

綜合數(shù)據(jù)揭示了直徑~1000光年的體積內(nèi)大約有500萬(wàn)個(gè)可能的候選者。在根據(jù)溫度和亮度分布創(chuàng)建了一個(gè)“最佳擬合”模型，消除了可能的天然來(lái)源之后，Suazo和他的團(tuán)隊(duì)將名單篩選為20個(gè)可行的候選者。

在不久的將來(lái)，這些來(lái)源可能會(huì)受到下一代望遠(yuǎn)鏡的后續(xù)觀(guān)測(cè)。與此同時(shí)，搜索仍在繼續(xù)，雖然它沒(méi)有產(chǎn)生巨型結(jié)構(gòu)的明確證據(jù)，但可能性仍然存在。

正如戴森在談到這種工程的可能動(dòng)機(jī)時(shí)所說(shuō)的那樣，“我的規(guī)則是，沒(méi)有什么是那么大，也沒(méi)有那么瘋狂，以至于百萬(wàn)分之一的技術(shù)社會(huì)可能不會(huì)覺(jué)得自己被驅(qū)使去做，只要它在物理上是可能的。

如果只有少數(shù)先進(jìn)文明致力于我們銀河系中的大型工程項(xiàng)目，我們遲早會(huì)嗅出它們！

本文最初發(fā)表于今日宇宙.閱讀原文.

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