不需要戴森球，科学家们提出流浪行星计划

原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀

无数系外行星的艺术家视图。资料来源：NASA/JPL-加州理工学院

1960年，弗里曼·戴森（Freeman Dyson）提出了先进文明如何制造封闭其系统的巨型结构，使它们能够利用恒星的所有能量并增加它们可以占据的宜居空间。2015年，当KIC 8462852星（又名Tabby's Star）开始莫名其妙地变暗时，天文学界对此很感兴趣。虽然2018年对恒星光度曲线的分析显示，变暗模式比固体结构更具尘埃的特征，但Tabby's Star将注意力集中在巨型结构及其相关技术特征的概念上。

戴森的想法是在天文学家不知道我们银河系中系外行星丰富的时代提出的。第一颗确认的系外行星直到1992年才被发现，现在这个数字已经达到5,514颗。考虑到这一点，来自印度班加罗尔的一组研究人员最近发表了一篇关于预印本服务器arXiv的论文，该论文提出了整个巨型结构概念的替代方案。对于寻求更多扩展空间的先进文明来说，将行星纳入其系统内 - 或捕获自由漂浮的行星（FFP） - 并将它们转移到恒星的环太阳宜居带（HZ）中是一种更简单，破坏性更小的解决方案。

该研究由印度班加罗尔基督大学的物理学研究生Raghav Narasimha领导。Margarita Safonova和Chandra Sivaram分别是印度班加罗尔印度天体物理研究所（IIAP）的科学技术系（DST）女科学家和天体物理学教授。他们的论文“制造宜居世界：行星与巨型结构”的预印本最近在网上出现，正在审查发表在天体物理学和空间科学上。

巨型结构的问题

先进文明建造巨型结构以利用恒星能量的可能性由来已久，例子可以追溯到20世纪初。最早的例子包括约翰·德斯蒙德·伯纳尔（John Desmond Bernal）的伯纳尔球体（Bernal sphere），他在1929年的著作《世界、肉体与魔鬼》（The World， the Flesh & the Devil）中对此进行了详细介绍。根据伯纳尔的说法，建造这种结构的材料来源“只会从地球上抽取一小部分;因为结构的绝大部分将由一个或多个较小的小行星，土星环或其他行星碎屑的物质制成。

奥拉夫·斯台普尔顿（Olaf Stapledon）在他的科幻小说《造星者》（Star Maker）中更进一步，他描述了未来先进的人类文明如何“能够在太空中建造人造行星以供永久居住。这些巨大的空心球体由人造超级金属和人造透明坚如组成，其大小从最早和最小的结构（不比非常小的小行星大）到比地球大得多的球体。这些来源可能是戴森1960年提案论文的灵感来源。

在这篇开创性的论文“寻找人造恒星红外辐射源”中，戴森推断，一个文明建造“人造生物圈”（后来被尼古拉·卡尔达肖夫称为“戴森球”）的动机将包括利用能量，但也增加了他们可以居住的空间量。从在宇宙距离上观测到的文明可能比人类更古老、更先进的可能性开始，他认为：

“[这是一个合理的工作假设，即它们的栖息地将扩大到马尔萨斯原则设定的极限。我们对这些生物在寻找生存空间时会遇到的物质条件没有直接的了解......人们应该期望，在进入工业发展火箭级的几千年内，任何智能物种都应该占据一个完全包围其母星的人造生物圈。

然而，在撰写本文时，戴森正在研究我们太阳系内可居住空间的极限，该空间仅限于地球。然而，太阳系的各个天体（特别是木星和气态巨行星）拥有大量的物质，这些物质（理论上）可以重新用于创造人造生物圈。以木星为例，戴森认为这颗行星的质量足以在太阳周围形成一个厚度约为2至3米（6.5至10英尺）的球形壳，密度为“每平方厘米200克”。

此外，受到红外天文学最新进展的启发，戴森建议SETI研究人员如何通过热特征在我们的银河系中寻找这些结构的证据。正如Narasimha，Safonova和Sivaram通过电子邮件告诉Universe Today：

“戴森认为，先进的外星文明可能已经建造了这样的巨型结构。这些将主要在8到10微米的窄红外（IR）范围内辐射整个恒星的能量（因为“废热” - 被观察为过量的红外辐射），所以这应该是这种结构的技术特征，即具有太阳光度但都在红外辐射的恒星物体。

卡尔·萨根（Carl Sagan）和拉塞尔·沃克（Russel Walker）在1966年的论文《戴森文明的红外可探测性》（The Infrared Detectability of Dyson Civilizations）中建议使用红外太空望远镜搜索戴森文明。天文学家仍在继续寻找这样的物体，尽管到目前为止结果是负面的，因为这个概念不限于时间 - 任何长期文明（即持续数千年）最终都可能需要其主星的全部输出。

作为替代方案，Narasimha和他的同事提出了如何在太阳的HZ内移动多个行星，这将使我们太阳系中的宜居空间成倍增加，而不需要破坏其行星。此外，根据我们目前对行星体的理解，他们发现了戴森原始计算和假设的几个问题。例如，戴森使用木星作为资源的前提并没有承认只有木星质量的一小部分（约13%）可用于建筑目的。

这包括岩石内部和金属核心，而氢和氦（占其质量分数的87%）实际上不能用作建筑材料。更重要的是，丰富的氢可用于聚变反应堆，为任何能源危机提供更简单实用的解决方案。更重要的是，戴森的提议是基于这样的理论，即人口增长将总是超过一个物种的资源基础（也就是。马尔萨斯理论），因未能考虑技术进步和其他影响人口动态的因素而受到广泛批评。

艺术家对我们银河系中太阳系外行星系统的印象。资料来源：美国宇航局/蒂姆派尔

Narasimha和他的同事还认为，包围像太阳这样的恒星会将其所有的太阳风困在里面，导致日球层消失，并将戴森球暴露在高水平的宇宙射线中 - 可能会伤害内部的生物圈。这是团队在戴森最初提案中发现的几个问题之一（包括技术和道德问题）：

“为了建造这样一个巨型结构，我们需要用完所有内行星和一些外行星，从而彻底摧毁我们现在所知道的太阳系，包括拥有独特生物圈的地球。这也违背了行星保护的原则 - 联合国管理保护太阳系天体的政策。此外，在我们的太阳系中，木星的引力使小行星偏转，减少了与地球碰撞的可能性 - 1994年的戏剧性例子是Levy-Shoemaker彗星。球体（甚至环）对轻微的扰动（例如，陨石撞击）非常不稳定，并且会与中心恒星相撞。

“固体戴森球内部除非旋转，否则没有重力，只有在赤道上，重力才会是通常的1克。照明将是连续的，没有夜晚，具有类似地球表面的内部将反射带有地球反照率的阳光，使天空比白天的地球明亮得多。由于我们的太阳将保持相同的活跃恒星 - 没有太阳耀斑，CME，太阳风等的保护，因为没有自然磁场。在宇宙时间尺度上相对较快，我们的太阳将开始膨胀成一颗红巨星，吸收木星轨道上的一切。

最后，他们指出了建造戴森球的时间尺度，这将是巨大的。这没有考虑文明潜在的长期稳定性和长期可持续性（著名的德雷克方程中的L参数）。在这种情况下，建造一个巨型结构不仅似乎是一项重大任务，而且是不切实际和不可取的。

无处不在的行星

在戴森的时代，人们普遍认为大多数恒星都有一个至少由一颗行星组成的系统。根据开普勒太空望远镜和其他行星探测器（如哈勃，凌日系外行星巡天卫星（TESS）和詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST））获得的数据，天文学家估计我们的银河系中至少有1000亿颗行星。最近的研究还表明，在我们的银河系中可能有多达一万亿颗自由漂浮的行星（FFP），又名“流氓行星”。

如果这些行星能够移动到恒星的宜居带，它将成倍增加一个文明的房地产。正如该团队所解释的那样，随着时间的推移，先进的文明也可以根据需要进口新的行星和/或为不同的目的指定行星。“没有必要摧毁整个行星系统，”他们说。“ETI可以带来一颗行星，用完它，把它踢出系统，然后带来另一个。仅用于工业和技术目的的行星被称为“服务世界”。ETI甚至可以引入自由漂浮的行星，将其用作服务世界。

在他们的论文中，研究小组展示了如何使用强大的激光阵列将火星或冥王星等富含水的行星或许多冰冷的海王星外天体（TNOs）转移到太阳系的HZ中。这些激光器需要在Zetawatt或Etawatt（1024 W）功率范围内，前者已经用于核聚变研究。根据他们的估计，使用的功率和总能量将比分解木星（和其他行星）以建立戴森球所需的能量少几个数量级。

除了物质利益之外，能够在其系统中移动行星的先进文明也可以改变这些世界的轨道力学。齐奥尔科夫斯基在1895年也阐明了这个想法，他在那里写道，先进的人可以随时改变他们星球上的日常周期，一年的长度和季节性温度。自然，这项研究提出了一个问题，即SETI研究人员如何搜索这样的文明以及他们将产生什么“技术签名”。

戴森展示了巨型结构如何通过红外波长的特征来检测，而Narasimha和他的同事则指出，行星的工程系统将产生不同的技术特征。这包括强大的窄带激光阵列，可以在数百甚至数千光年的距离内检测到。这与加州大学圣巴巴拉分校物理学教授、UCSB实验宇宙学小组（ECG）负责人菲利普·卢宾教授的建议是一致的。

2016年，Lubin教授发表了一篇论文，指出可以通过搜索激光阵列的“溢出”来检测先进的文明。这些可用于通信，推进和小行星防御 - Lubin和他在ECG的同事正在研究在地球上使用的应用程序（包括突破摄星）。2018年，美国宇航局发布了技术签名报告，其中包括光通信，激光推进和其他定向能方法作为可行的技术签名。

此外，Narasimha和他的团队解释了工程系统如何与其他系统具有截然不同的轮廓。他们甚至提供了SETI研究人员可以在未来几年更仔细地研究的一些潜在例子：

“如果行星排列奇怪，即行星的质量从一个行星到另一个行星（如气态巨行星，类地行星，然后是类地行星，另一个是气态巨行星 - 如开普勒-20系统），那么我们可以认为这些不寻常的安排是ETI故意做出的。像开普勒-20或TRAPPIST-1这样的行星系统，其中许多类似地球（低质量的岩石行星）排列在靠近恒星的地方，距离小于水星的轨道，这是先进的外星人天体工程的另一个可能迹象。在距离恒星不远的如此狭窄的区域内看到如此多的类地行星似乎很不寻常。这可能表明，这些行星可能是故意移动到其母星的HZ中。

简而言之，Narasimha和他的团队建议天文学家在寻找生物特征和技术签名时，将奇怪的系外行星结构（SEA）作为搜索参数之一。SETI未来的工作可能包括寻找经过修改或安排的系统，这些系统表明存在多个宜居行星，“服务世界”以及它们之间的先进通信和基础设施。谁知道呢？也许有些系统将包括多颗恒星，每颗恒星都有自己的行星排列，支持多种文明。

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原标题：《不需要戴森球，科学家们提出流浪行星计划》

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