戴森球：恒星能量捕获器

2019-11-13路西

科学之谜 2019年10期

路西

人类对能源总是充满了渴望，这一点从各种各样的超级英雄电影中就可以看出。从钢铁侠战衣的冷核聚变反应堆，到电影《黑豹》中的振金战衣，再到电影《海王》中的无限能源等，高智能社会总是与能源联系在一起。

在现实生活中，随着文明的发展，我们对能源的需求也将飞速增长。为了向更高级的文明跃进，人类最终将不满足于地球上的能源而向太阳求助。

1959年，物理学家弗里曼·戴森就设想了一种围绕太阳的人造天体——戴森球。它是一种巨型的太阳能收集结构，与卡尔达肖夫Ⅱ级文明相对应。从提出以来，戴森球就成为了天体物理学和工程学的一个重要研究课题。那么，戴森球应该是什么样的呢？我们又如何建造它呢？

戴森壳

在戴森提出自己建议的时候，他就设想出了三种不同类型的戴森球体：戴森壳、戴森云和戴森气泡。下面，就让我们来逐个了解一下它们。

在科幻小说中，最常见的就是戴森壳了，它是一个固体球壳，完全包围着太阳，百分百接收来自太阳的辐射，然而这种形式的戴森壳并不现实。

首先，建造包裹恒星的巨型结构需要大量的材料，可能比太阳系现有的固体材料还多。其次，如果想让戴森壳具有人造引力，它必须以1200千米/秒的速度绕太阳旋转，该速度是光速的0.4%，相当于一周多一点的时间内绕着太阳转完一周。此时，戴森壳所承受的内应力也是巨大的，目前没有任何已发现的材料能够承受。

不过，虽然戴森壳对于太阳这么大的恒星来说不太实际，但是对于像M类红矮星（恒星质量小于0.4倍太阳质量）这样的较小恒星来说，戴森壳还是有存在可能的。戴森壳表面积巨大，且实心球壳的质量足够大，能够在表面产生重力作用，让生物和物体可以呆在戴森壳表面，而不是漂浮在太空，因此戴森壳是潜在的生物圈。这对我们寻找外星人也是一个启示，有的外星人有可能就生活在这样的戴森壳里。

戴森云

戴森云就是一组放置在太阳轨道上的携带太阳能面板的卫星，为了收集到更多的能量，这些太阳能面板必须非常大，而且戴森云需要在收集太阳能的同时，抵消自身重量带来的引力。

戴森云的优点是可以分步建造，我们可以先发射一颗卫星，再将这颗卫星收集的能量应用在下一颗卫星上。不过，当越来越多的卫星围绕太阳旋转时，卫星轨道的配置就会变得很困难，科学家需要注意避免轨道的相交和由轨道重叠造成的周期性日食。而且卫星与彗星、小行星和流星的碰撞会破坏轨道的排列，而且与其他行星的引力相互作用也会影响卫星轨道。另外，由于戴森云中单个卫星的表面积和质量相对较小，几乎不提供重力，它很难被用作人类的生物圈。在利用戴森云获取能量时，人类仍需要生活在地球或其他行星上。

戴森气泡

与戴森云类似，戴森气泡将由围绕恒星收集太阳能的大量卫星组成。不同之处在于，这些卫星并没有被放置在围绕恒星运行的轨道上，而是被放置在一个黄金距离上。在这个距离上，来自太阳风和辐射的压力正好等于太阳对卫星的引力，这使得每颗卫星完全静止。

从理论上讲，一个文明国家可以持续增加更多的卫星，直到整个恒星被覆盖，相当于创造了一个戴森壳。同时，它还消除了其他卫星导致日食的可能性，因为每个卫星都保持静止。

然而，构建戴森气泡可能比构建戴森云更加困难，因为引力相互作用和碰撞对它的影响更大。重力效应或撞击不会使戴森云完全失去作用，大多数情况下，它们只是使卫星偏离轨道。然而，静止的戴森气泡得益于所有卫星排列组成的精确结构，一个非常小的相互作用可能会破坏整个结构的稳定性，从而可能导致它们落入太阳。因此，戴森气泡需要非常先进的控制系统。当然，戴森气泡也无法为人类提供合适的生物圈，理由与戴森云相同。

如何建造戴森云

考虑到三种形式的戴森球的特点，构造戴森云对于我们来说更加实际。

假设戴森云的轨道半径为1个天文单位（地日距离），以此为半径的球面积约2.8×1017平方千米。即使我们不要求戴森云完全包围整个太阳，也需要非常多的卫星和建造卫星所需的材料。同时，制造卫星和将它们送到轨道上也需要大量的能量。

为了获得巨量的材料，我们可能需要拆解一整颗行星。在所有的候选行星中，水星似乎是最好的选择，它非常靠近太阳，并且富含金属。水星的质量是3.3×1023千克，其中一半以上都可以用作原材料，生产太阳能收集器。水星没有大气，表面重力仅为地球的三分之一，相对来说，向太空中发送卫星更容易。

另外，太阳能面板的设计应该比较简单，仅需要很少的维護，就可以在太空长时间漂浮，而且造价便宜。因此，它们最可能是一面面巨大的镜子，将阳光导向中心收集系统。

由于水星环境比较严苛，整个开采原料、建造面板和发射卫星的过程由一批自动化机器完成，包括：太阳能收集装置、开矿机、精炼机和发射装置。我们可以先放置一批太阳能收集器，利用收集的能量开采矿石、精炼稀有元素、制造和发射卫星。发射的卫星又可以提供更多的能量，因此，卫星发射速度可按指数形式增长。

寻找Ⅱ级文明的踪迹

虽然人类还在思索着如何建造戴森球，但是这样的巨型建筑可能已经存在于宇宙中了。

例如，2015年，当开普勒空间望远镜（专门观测恒星亮度的变动）对准一颗原本不起眼的恒星——塔比之星时，它的亮度出现了非常奇怪的下降，它的亮度变化完全没有规则，这排除了行星之类的单个天体围绕它作轨道运动的可能。许多科学家推测，这种亮度的奇怪下降很可能是由外星文明的戴森球造成的。当然，另一种可能性更高的解释是巨大的尘埃云遮挡了光线。不论怎样，塔比之星提醒我们：开普勒探测到的可能不止是系外行星，还有可能是高级文明的痕迹。

如果戴森球是Ⅱ级文明发展的必经阶段，我们就可以通过一些戴森球可识别的特征，揭示它们和外星文明的存在。

从塔比之星的事件中，我们可以看出，日食就是戴森球的一个可识别特征。如果我们目睹了较大规模的日食，但是恒星却没有相应的位置摆动（行星会造成恒星轻微晃动），这表明：我们很可能发现了一个戴森云。同样地，如果我们看到一颗恒星出现了由巨大的、黑暗的天体造成的极其缓慢的日食现象，那么天体很可能是戴森气泡。因为戴森气泡相对于恒星静止，它只会跟着恒星相对于我们缓慢运动，并造成日食。

戴森壳可能更难探测，因为它们完全吸收了恒星发出的所有可见光，所以任何传统望远镜都看不到它们。然而，我们可以探测到戴森壳的辐射——红外辐射。一般情况下，一个种族并不能100%使用掉戴森壳内表面收集的能量，而且它们利用能量也会产生热量，剩余的能量会以较低的频率从外表面辐射出来。如果我们探测到一个非常大的低频红外源，那很可能是戴森壳的伴随效应。

当我们接近星际发展水平时，对宇宙的探索和发现需要更多的能源，充分地利用太阳是必然选择。无论是何种形式的戴森球，都代表着一个种族成为星际种族的转折点。