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“戴森球”应该是“戴森泡”？

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2024-10-27 13:49

正文

引言

从砍树烧柴，到电气时代，随着文明的发展，人类对于能量的需求与日剧增。1964年，前苏联科学家卡达尔肖夫(Nikolai Kardashev)提出了能量利用指数，也是目前广为人知的卡达尔肖夫指数，自然地将整个宇宙中的文明划分成3个等级，也就是我们熟知的I、II、III级文明。

I级文明可以充分开采和利用自身行星的能源和能量，而II级文明能够利用其恒星系统中的所有能量，难以想象的III级文明，则能够掌控星系等级的能量。I型文明每秒大约产生10¹⁶瓦特能量，而人类目前对应的数字在10¹³量级，也就是说，太阳在万分之一秒内释放的能量就足够让人类使用整整7年。目前人类对应的卡达尔肖夫指数在0.7左右，根据一些模型的估算(图1)[1]，我们的卡达尔肖夫指数在2060年大约能够达到0.7449，直到到这世纪末，可能会摸到0.78的大门。

图1 Zhang等人2023年对人类未来的卡尔达肖夫指数变化进行了预测。图片来源：doi: 10.1038/s41598-023-38351-y, figure 4c

但是，思维是没有尽头的，身为虫子的我们也仍然可以尝试想象更高等级的文明将如何开采和利用能源。

比如，戴森球。

1、什么是最正宗的戴森球

戴森球的概念源于戴森（Freeman Dyson）在1960年发表的论文，戴森认为，随着技术文明对能量的需求的增长，其对能量的需求必然有一天会膨胀到要利用主星“全部”的能量输出，此时就有必要建造能够拦截和收集母恒星发出的所有能量的轨道结构[2]。当然，在探索地外文明话题逐渐热门的五六十年代，戴森的重点并不是探讨这样的轨道结构应该是什么样或者如何建造，而是是否能够通过某种方式在茫茫星海中找到它们。

我们在影视中看到的戴森球通常会被金属质感的巨大钢筋结构全部包裹，科技感十足（图2）。但是很遗憾，从力学上讲，壳体内部会产生引力相互作用，强大的牵扯力会使整体结构不够稳定，不太可能作为戴森球的建造方案。当然戴森也深知这一点，他在文章里都是以“壳”（shell）或者生物圈(biosphere)这样的名词描述，形式上是由一个松散的集合或一群物体围绕恒星在独立的轨道上运行。

图2 戴森球的艺术想像图。图片来源：space.com

在一个文明从I级向着II级跨越的过程中，首先着手的工程可能是低配版的戴森“环”(Dyson Ring)（图3左上角）——通过一系列搭载太阳能接收器的卫星来接收能量。它们的表面积要尽可能的大，并且这些设备将共享一个轨道。随着技术的发展，这一戴森环将逐渐密集，更多的戴森环将被创建，这在技术上会更加复杂，各种结构之间也会带来各种扰动，但对于II级文明而言，这一切都不是难题。随着卫星数量逐渐增多，“戴森云”(Dyson swarm)慢慢建成（图3右上角），实现版本从“标配”到“顶配”的升级。

戴森泡（Dyson Bubble）或许是一种更现实的设计（图3左下角）。它虽然也是由多个独立的卫星组成，但这些卫星不需要围绕恒星时刻运动。我们知道，当太阳光子到达物体表面时，会产生一定的辐射压。先进的文明可以让这些卫星的巨大太阳帆产生的辐射压于来自母星的引力相平衡，从使得卫星悬浮在固定位置。对比前一种结构，这种结构不会在内部时刻存在巨大应力，也不必达到固定结构的戴森壳所需要的超大质量，半径一个天文单位的戴森泡仅需月球质量的350分之一的物质就能完成建造，也就是智神星，这颗太阳系小行星带中质量排名第三的星体的分量。

当然我们也不能排除真有智慧文明能够克服重重困难，制造出环绕恒星的均匀球壳（图3右下角），实现百分百拦截恒星的能量辐射。但是光是所需要的材料数量就令人望而却步了，这就交给未来的土木工程专业学生去研究吧。

图3 戴森球的几种可能结构。图片来源：medium.com

2、戴森球的探索发现

虽然我们人类目前距离能够建造戴森球的技术还十分遥远，但茫茫宇宙中难道就不会有已经建造出戴森球的高级文明存在吗？它们如果存在，我们又该如何去寻找和发现它们呢？很遗憾，目前我们还不能驾驶飞船遨游全宇宙，去跟那些高级文明直接问好，只能通过我们的各种望远镜来“远观”。当我们瞪大眼睛仔细搜索时，那些神秘的戴森球应该长什么样子？

对于戴森环、戴森云的结构，巨大的太阳能面板在经过恒星面前时会遮蔽恒星的辐射，产生亮度变化的凹坑。如果观测到这样异常的光变也许在暗示戴森球的存在。

另一方面，戴森球是专门设计来收集能量的，会优先吸收波长短能量密度高的可见光波段和紫外波段的辐射。根据热力学定律，在这一能量转换的过程中，戴森球会在较长的红外波段无法避免地产生废热，最终导致这颗恒星红外波段流量异常升高。因此，在我们这些远处的观察者看来，戴森球应该是个红外波段异常明亮，而其他波段都非常暗淡的奇怪天体。

“如果有熟悉《三体》小说中黑暗森林理论的朋友可能此时会有疑惑：会不会这个智慧文明又接着处理红外波段光谱，让我们看不见这样的变化怎么办？当然可以，只不过这样我们就发现不了，继续寻找下一个就是了。”

坏消息是我们没有戴森球建造经验，所并以不知道亮度和光谱的具体变化会怎么样。但好消息是，一切皆有可能。戴森球探索并不需要专门的观测设备，只要能覆盖一定的红外波段就可以尝试搜寻。我们目前已经有了不同观测设备累加超过数百万的恒星测光和光谱数据，这些海量的数据里也许就藏着戴森球的特征信号。

2-1 稍显远古的新闻

2015年，在开普勒望远镜释放的数据中，Tabetha S. Boyajian发现了一个很有可能的戴森球候选者，开普勒星表编号为KIC 8462852，随后以发现者的名字命名它为塔比星(Tabby's Star)。它还有一个有趣的小名叫 WTF，全称为Where's The Flux，意思是“流量都去哪里了”[3][4][5]。

塔比星距离地球大约1470光年，视星等为11.7等，我们通过一个简单的双筒望远镜就可以观测到它，早在1890年，我们就已经知道它的存在了。

开普勒望远镜主要通过凌星法去发现系外行星，当行星从主星前方经过时，会导致亮度稍微降低，这将会被敏锐的望远镜所捕捉到。对于塔比星，开普勒观测到了成百上千的非周期性的亮度变化，而且其亮度变化非常大，有时会出现15%的亮度下降，有时甚至能够达到22%(图4)。然而行星经过主星表面带来的亮度变化非常微弱，即便是木星大小也只能遮挡1%的辐射，因此如此剧烈的亮度变化肯定不是系外行星造成的。并且行星的轨道是周期性的，塔比星的亮度变化却毫无规律可言。当然此前人们也发现过其他这样光度会非周期性变化的恒星，但它们都是年轻恒星，拥有巨大的尘埃盘，尘埃盘的运动导致了它们的亮度变化。而对于塔比星，其红外和亚毫米波段观测显示，它并没有尘埃盘存在！更奇怪的是，检查了1890年以来的所有观测结果后，天文学家们发现，这颗塔比星一直在持续地变暗，幅度大约为每年0.34%左右。

我们的理论必须同时解释这些短时的光变和长期的变暗，剩下的可能性还有什么？一些天文学家提出，这也许并不是一种“自然”的结果，这也许是未知的高级外星文明建造的某种足以遮蔽恒星的巨型结构，比如——戴森球！让我们好好看看这些光变曲线中的小凹坑，我们似乎可以想象众多的“小卫星”正在规律运作，数量越来越多，一个完整的戴森球逐渐成型。

图4 塔比星流量数据。这张光线曲线图显示了这颗恒星的最大亮度随时间变化的比例，以天为单位图中顶部的小数字对应着开普勒主要运行的17个季度。图片来源： arXiv:1509.03622 figure1

这当然是一个振奋人心的想法，不过要真的证实它是戴森球要麻烦的多，其他证据和后续观测必不可少。如此机会当然少不了SETI(地外文明搜寻协会)的登场[6][7]。他们随后用艾伦望远镜阵对准塔比星观测了超过两星期，期待要么能从塔比星收到充满智慧信息的窄带信号，要么能捕风捉影，聆听到超大规模航天器的推进器泄漏的强劲微波信号。但是很可惜，没有任何一类信号被证实。尽管后续还有接二连三的观测，但始终缺乏完美的解释。

2-2 近期消息

就在今年的4月份，通过赫菲斯托斯项目组(Project Hephaistos)研究人员在银河系内部发现了足足7颗疑似戴森球的天体[8]。

赫菲斯托斯项目(Project Hephaistos)，以古希腊铁匠之神命名，他为奥林匹斯众神打造了许多精美的装备（如战车、武器，甚至是自动装置）。和传统寻找主动向我们发送信号的SETI项目不同，赫菲斯托斯计划专注于寻找外星技术的迹象。

长久以来，他们进行了不少探索工作。

2015年，研究团队试图在1000多个与银河系相似的星系样本中寻找能够利用星系内相当部分恒星能量的文明，也就是三级文明，得到的初步结论是最多有0.3%的比例存在[9]；2018年，他们利用Gaia DR1与RAVE DR5数据，在银河系中搜寻几乎完全被戴森球覆盖的恒星[10]；2022年，他们对100秒差距（326光年）内的近三万颗恒星进行了分析，继续寻找只是部分被戴森球覆盖的恒星[11]。但以往的这些尝试都没有找到可靠的候选体。

直到今年，研究团队利用来自(Gaia, Global Astrometric Interferometer for Astrophysics)和WISE(Wide-field Infrared Survey Explorer)以及2MASS（Two Micron All Sky Survey）巡天数据，并开发了一套专门的程序，综合分析了五百多万颗恒星的数据，来寻找那些有着异常明亮的红外辐射奇特对象，这一过程需要多个过滤器的共同努力，并且还结合了卷积神经网络的方法来帮助筛选，确保它们的红外辐射不来自于任何我们已知的天体物理过程，最终留下了7个戴森球候选体。

这7个候选体都发射过量的红外线，与我们猜想的戴森球模型一致，那这7个就是真的戴森球吗？还不一定，正如我们前面所说，需要排除一切仪器因素和物理因素才能确定。有人怀疑这是数据本身存在一定程度污染，但是研究团队仔细检查后，发现最多只有两个源被污染。一种可能的物理解释是，这些红外辐射是他们周围的温暖的碎屑盘（warm debris disk）发出的。然而这7个候选体都是M矮星，根据我们目前的观测经验，M矮星附近的碎屑盘是非常罕见的；并且他们的温度和红外辐射的占比都与典型的碎屑盘有所不同。

不管怎么说，真相还需进一步观测，我们可以期待后续更多的观测数据，就算最后的结果证实它不是戴森球，这也是天文学领域内非常有趣的天体，可以丰富我们的认知。

3、戴森球已经在“造”了

最后，让我们畅想一下未来。我们人类该如何建造我们的戴森球呢？

我们首先要解决的，就是轨道问题。在航天领域，人们已经在设想如何在太阳系建造戴森环的低配版本——戴森环了。2021年的国际空间轨道设计大赛（GTOC）首次聚焦“戴森球”的建造轨道问题，探索研究“戴森球”建造背后的数学力学问题[12]。

赛题背景设定为距今100年后的2121年，人类开启了“戴森球”建造计划。任务是利用20年的时间，发射10艘探测母船连续探测小行星，释放动力装置使之可以“激活”飞行，并聚集起来，最终形成12个环状分布的轨道站（图5左）。优化指标是尽可能提高“戴森球”轨道站的小行星质量并减小它们和太阳的距离，从而获得最大的太阳辐射效率。通过优化小行星探访顺序，最终是清华大学和上海卫星工程研究所联队最终将指标优势扩大夺得第一名，冠军团队飞越了388颗小行星（图5右）。

图5 左图本届比赛题目，右图为冠军团队388颗小行星小推力转移轨道。图片来源：https://sophia.estec.esa.int/gtoc_portal/?page_id=782

而工程方面，虽然绕着太阳的戴森环还为之遥远，但是环绕地球轨道的天基太阳能设备已经在准备当中了[13]。我们可以建造一系列带有巨大太阳能板的卫星，搜集阳光并将其转换成电能，并通过微波的方式传达回地球(图6)。与传统的利用太阳能和风能的方法相比，它有两个巨大的优势。首先，将捕捉阳光的卫星放在太空中意味着我们在地球上不需要大片的土地来安装太阳能电池板和风力发电场。第二，即使局部的天气条件不理想，比如阴天或风力减弱时，我们也会有充足的能源供应。而且目前更低的卫星发射成本使得这一想法触手可及。

图6 天基太阳能卫星工作原理设想图。图片来源：Institute of Physics

4、结尾

正如卡尔·萨根所言：“如果宇宙中只有我们，那就太浪费空间了。” 尽管我们尚未发现其他智慧文明的确凿踪迹，但我们有理由相信，自宇宙诞生以来，可能已经诞生了远超地球科技水平的文明。戴森球正是我们对这些高度发达文明的一种技术猜想。要证实戴森球的存在极其困难，而建造它更是遥不可及。对于人类的未来发展，究竟是我们先找到戴森球的确凿证据，还是地球上的人类先成功建造出戴森球？这不失为一个引人入胜的赌局。

参考文献

[1] Zhang, A., Yang, J., Luo, Y. et al. Forecasting the progression of human civilization on the Kardashev Scale through 2060 with a machine learning approach. Sci Rep 13, 11305 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38351-y

[2] Dyson, F.J. Search for Artificial Stellar Sources of Infra-Red Radiation. Science 131 (3414), 1667–1668 (1960).

[3] LaCourse, T.S., Rappaport, S.A., Fabrycky, D., Fischer, D.A., et al. Planet Hunters X. KIC 8462852 - Where's the Flux? MNRAS 457, 3988–4004 (2016).

[4] Boyajian, T.S., LaCourse, D.M., Rappaport, S.A., Fabrycky, D., Fischer, D.A., Gandolfi, D., Szewczyk, A. Planet Hunters IX. KIC 8462852 – where's the flux? Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 457, 3988–4004 (2016).

[5] 中国国家天文-戴森球？银河系最神秘的星是外星人所为吗 https://mp.weixin.qq.com/s/UO5v3oWyj-DKFExdAVd0uw

[6] Harp, G.R., Richards, J., Shostak, S., Tarter, J.C., Vakoch, D.A., Munson, C. Radio SETI Observations of the Anomalous Star KIC 8462852. Astrophysical Journal 825, 155 (2016).

[7] Schuetz, M., Vakoch, D.A., Shostak, S., Richards, J. Optical SETI Observations of the Anomalous Star KIC 8462852. Astrophysical Journal 825, L5 (2016).

[8] Suazo, M., Zackrisson, E., Mahto, P.K., Lundell, F., Nettelblad, C., Korn, A.J., Wright, J.T., Majumdar. S. Project Hephaistos – II. Dyson sphere candidates from Gaia DR3, 2MASS, and WISE. MNRAS 531, 695–707 (2024).

[9] Zackrisson, E., Calissendorff, P., Asadi, S., Nyholm, A. Extragalactic SETI: The Tully-Fisher relation as a probe of Dysonian astroengineering in disk galaxies. Astrophysical Journal 810, 23 (2015).

[10] Zackrisson, E., Korn, A.J., Wehrhahn, A., Ritter, A. SETI with Gaia: The observational signatures of nearly complete Dyson spheres. Astrophysical Journal 862, 21 (2018).

[11] Suazo, M., Zackrisson, E., Wright, J.T., Korn, A., Huston, M. Project Hephaistos - I. Upper limits on partial Dyson spheres in the Milky Way. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 512, 2988 (2022).

[12] 赛先生-如何建造“戴森球”？国际空间轨道设计大赛设下全球擂台

[13] 中国物理学会期刊网-向太空要能量

来源：中国科学院国家天文台

原标题：戴森球的探索与现实