Сфери на Дайсън и пръстеновидни светове: Реалистично ли е да се построи електроцентрала с размерите на звезда?
Дали научната фантастика най-сетне е получила математическа основа?
Сферите на Дайсън и орбиталните пръстени от дълго време са класика в научната фантастика. Става дума за великански структури, които биха могли изцяло да обхванат дадена планета или звезда. Сферата на Дайсън е замислена като колосална куха черупка към светилото, способна да улавя цялата му сила за потребностите на човечеството. Орбиталният пръстен е различен тип сходна конструкция, на чиято вътрешна повърхнина хората биха могли да живеят, употребявайки силата на централното величие. До наскоро физиците смятаха сходни планове за неосъществими: под въздействието на гравитацията структурите неизбежно биха се срутили. Един академик от Шотландия обаче потвърди, че при избрани условия те въпреки всичко могат да съществуват в устойчиво положение.
Автор на откритието е Колин Макинъс – той е професор по инженерни науки, началник на катедрата „ Джеймс Уат “ в университета в Глазгоу. Мъжът признава, че се е заинтересувал от сходни хрумвания още като студент, откакто е прочел поредицата романи на Лари Нивън „ Пръстеновиден свят “.
Концепцията за гигантска сферична обвивка към звездата физикът Фрийман Дайсън разказва за първи път през 1960 година в списание Science. За построяването на сходна конструкция в Слънчевата система би било належащо количество материал, сравнимо с масата на Юпитер. Според концепцията на учения, сферата би се намирала на разстояние две астрономически единици от Слънцето (два пъти по-далеч от орбитата на Земята). Въпреки колосалните размери дебелината на стените би била единствено няколко метра, само че това би било задоволително, с цел да се събере цялата сила на Слънцето. Като цяло Дайсън има вяра, че развиването на цивилизациите неизбежно ще докара до основаването на такива системи заради непрекъснато възходящите енергийни условия на новите технологии.
Ако нашите братя по разсъдък от далечни светове към този момент са построили такива сфери, астрономите имат късмет да ги открият. Въпреки че самата конструкция би погълнала по-голямата част от забележимата светлина на своята звезда и би изглеждала като мрачно леке в пространството, тя неизбежно би се нагряла. В резултат на това топлината би се излъчвала назад в пространството в инфрачервената област.
Но концепцията има един сериозен минус. Според теоремата на Нютон резултантната гравитационна мощ вътре в кухата сфера е нула. Следователно и най-малкото отклоняване на звездата от центъра, породено от неидеална структура или от външни фактори, би породило неравномерно систематизиране на гравитационните сили. Механичните напрежения, зараждащи в този случай, както бе упоменато нагоре, неизбежно биха довели до разрушение на обвивката.
Подобни теоретични компликации пораждат и при гигантските пръстеновидни структури, разказани в романите на Лари Нивън. Всеки пръстен, заобикалящ звезда или планета, би изгубил стабилността си: най-малкият гравитационен дисбаланс би довел до изместването му и в последна сметка до конфликт с централното небесно тяло.
Така че вместо една звезда Макинъс преглежда система от две еднообразно солидни тела, които обикалят едно към друго по кръгови орбити. В тази система ученият изследва държанието на пръстен, чиято маса е толкоз дребна, че на процедура не въздейства върху придвижването на главните тела. Такъв пръстен би могъл да бъде ситуиран по три метода: да обгръща двете тела, да обгръща единствено едното от тях или да се намира надалеч от двете.
Новият метод, въпреки и не толкоз комплициран, колкото класическата задача за три тела (която към момента няма тъкмо аналитично решение), разрешава да се направи значимо изобретение. В равнината на орбитите на двойната система има седем специфични точки на равновесие. Като се разположи центърът на пръстена в някоя от тях, е допустимо да се реализира устойчиво състояние на цялата конструкция. Тези точки са сходни на известните точки на Лагранж – области от пространството, в които едно малко тяло може да „ увисне “ сред два солидни обекта заради точния баланс на гравитационните сили.
При търсенето на оптимална позиция за пръстена ученият разпознава две сериозни зони – области на вероятни конфликти, т.е. кръгове, показващи къде структурата може да влезе в контакт с едно от телата на системата. От седемте точки на равновесие едната разрешава на пръстена да обгърне и двете солидни тела, две точки са подобаващи за обгръщане на едно от телата, а останалите четири обезпечават устойчиво състояние на пръстена, без да обгръща никакви обекти.
По права линия, свързваща центровете на масите на двете тела, ученият открива пет точки на равновесие. Още две точки, които той назовава „ триъгълни “, са ситуирани на перпендикулярна линия, минаваща през центъра на системата. В същото време ситуацията им не е закрепено – то се трансформира според от диаметъра на пръстеновидната конструкция. В хода на проучването Макинъс също по този начин математически обосновава опцията за основаване на постоянни пръстени, насочени отвесно – перпендикулярно на равнината, в която се въртят двете тела на системата.
Подобни резултати са получени и за сферата на Дайсън, чиято маса е пренебрежимо дребна спрямо масите на двете съществени тела на системата. В своите калкулации ученият показва тази сфера като цялост от пръстени с идентични размери, чиито центрове съответстват. Прилагането на теоремата на Нютон разрешило доста да се опрости математическият разбор: става известно, че всяко тяло отвън сферата взаимодейства с нея по същия метод, както в случай че цялата маса на сферичната обвивка е съсредоточена в нейния център.
Ако би трябвало да обобщим в резюме, можем да кажем, че сферата може да съществува устойчиво в двойна система, в случай че по-малкото тяло е с радиус към два пъти по-малък от този на по-голямото – при изискване че плътността на двата обекта е идентична.
Сега астрономите би трябвало да се вгледат по-внимателно в двойните звездни системи, в които обект с извънредно високо инфрачервено лъчение обикаля в съседство с блестящо величие. Подобни структури теоретично могат да съществуват освен в двойките звезди, само че и в системите звезда-екзопланета и даже екзопланета-екзопланета. Освен това математиката не изключва опцията за основаване на няколко сфери на Дайсън, вложени една в друга. Но това към този момент е материал за нови, още по-задълбочени проучвания.
