Una nueva forma de detectar megaestructuras alienígenas según la ciencia
¿Cómo se alimenta una civilización alienígena súper avanzada? Empápate de una estrella. Aprovechamos el poder del sol mediante paneles solares.
¿Qué pasaría si escalaras esta idea a proporciones astronómicas? Rodea una estrella entera con estructuras de captación solar o satélites para impulsar tu extenso imperio galáctico alienígena. Estas estructuras masivas se conocen como “megaestructuras”, en este caso una “Esfera Dyson”.
Ya estamos tratando de detectar posibles megaestructuras en el espacio utilizando el oscurecimiento de una estrella y el brillo de los componentes de la megaestructura en luz infrarroja. Pero una investigación reciente proporciona un nuevo método de detección: una Esfera Dyson puede hacer que su estrella anfitriona se hinche y se enfríe.
Dyson Sphere como se muestra en el videojuego “Stellaris” , desarrollado y publicado por Paradox Interactive. Usado con permiso. Captura de pantalla del autor
Las esferas de Dyson son una de las muchas ideas sobre cómo podría ser la tecnología extraterrestre, pero hasta ahora no se ha trabajado sobre cómo tal estructura podría afectar la estructura y evolución de su estrella anfitriona.
-Macy Huston
Las esferas de Dyson fueron propuestas por primera vez por el astrónomo Freeman Dyson en la década de 1960. La idea es fascinante: una estructura que orbita una estrella para aprovechar un poder que sería tan grande que podría detectarse en los vastos alcances del espacio. ¿Cómo podríamos detectar uno?
Primero, una esfera Dyson encierra una estrella. Es poco probable que encierre completamente una estrella, ya que es difícil mantener la órbita de una esfera completa y es posible que no haya suficiente material en todo el sistema solar para hacerlo (incluso si se desarma todos los planetas del sistema). Pero, una estrella parcialmente encapsulada sería inusualmente tenue. En 2015, la estrella KIC 8462852, también conocida como “Estrella de Tabby”, se atenuó tanto que algunos sugirieron que tal vez una enorme megaestructura en órbita había bloqueado parcialmente nuestra vista de la estrella.
La astrónoma Tabetha Boyajian , homónima de la estrella, fue la autora principal de un artículo que anunciaba el descubrimiento del 22% de atenuación de la estrella. En comparación, cuando detectamos el paso de planetas que oscurecen la luz de las estrellas en un sistema solar distante, la atenuación es a menudo una fracción del uno por ciento. ¿Era una esfera Dyson? Después de una revisión más detallada de los datos, es más probable que la atenuación sea un fenómeno natural causado por desechos en el sistema. Las búsquedas de radio SETI (búsqueda de inteligencia extraterrestre) de seguimiento de la estrella de Tabby no arrojaron señales de radio artificiales detectables.
En segundo lugar, también podemos detectar el calor residual emitido por una esfera Dyson. Calentada por energía de la estrella, los componentes de una megaestructura pueden emitir luz infrarroja (calor) que podría ser detectado por nuestros telescopios – especialmente la nueva visión infrarroja del telescopio espacial James Webb, debido al lanzamiento 22 de Dic ND (con suerte) . La materia tiene que alcanzar los 525 grados Celsius para brillar con luz visible (esa es la temperatura a la que los elementos de su horno comienzan a brillar). Pero los objetos con una temperatura más baja, aunque aún no estén “al rojo vivo”, seguirán siendo visibles en infrarrojos mientras orbitan alrededor de la estrella.
Impresión artística de un enjambre orbital de fragmentos polvorientos de cometas, posiblemente algo que podría explicar el oscurecimiento de la estrella de Tabby – NASA / JPL Public Domain
En tercer lugar, una nueva investigación de Macy Huston y Jason T. Wright de la Universidad de Penn State, muestra una herramienta adicional en nuestra búsqueda de Esferas Dyson: cambios físicos en la propia estrella causados por una estructura artificial.
Al encapsular una estrella con una megaestructura, la estrella puede comenzar a experimentar retroalimentación de su propia energía. Los componentes de Dyson Sphere posiblemente podrían reflejar una parte de la radiación de la estrella que termina cayendo hacia la estrella. O los componentes, mientras absorben calor de la estrella, pueden reemitir parte de esa energía como calor residual hacia la estrella. Devolver parte de la energía de una estrella le hace algunas cosas extrañas a una estrella: la estrella comienza a expandirse y enfriarse. Parece contradictorio que una estrella bañada en su propia energía de retroalimentación realmente se enfríe. El efecto también es más fuerte según el tipo de estrella. Entonces, ¿qué está pasando?
Tripas resplandecientes
Una de mis cosas favoritas de este proyecto fue antes de la parte de la esfera de Dyson, recreé algunas simulaciones antiguas de estrellas irradiadas y descubrí que la literatura anterior estaba equivocada sobre el destino de las estrellas irradiadas de baja masa. Demostramos con modelos estelares más modernos que se expandirían y enfriarían, extendiendo sus vidas, mientras que el trabajo anterior había encontrado lo contrario.
-Macy Huston
No todas las estrellas comparten la misma anatomía. Las estrellas fusionan hidrógeno en sus núcleos en una reacción nuclear que convierte el hidrógeno en helio, lo que libera mucha energía. La velocidad de fusión crea dos zonas diferentes dentro de una estrella, zonas radiativas y zonas convectivas. Zonas convectivas que puedes imaginar como una lámpara de lava. Una burbuja de líquido caliente se calienta, se eleva, se enfría y luego vuelve a caer. Las zonas convectivas requieren un gradiente o diferencia de temperatura entre el comienzo (más caliente) y el final (más frío) de la zona para crear el ciclo de calefacción y refrigeración.
En las zonas radiativas, la energía se mueve principalmente hacia afuera y puede salir de la estrella o conducir a la creación de una zona convectiva en altitudes más altas en la estrella. Dónde / si existen estas zonas dentro de una estrella depende de la masa de la estrella. Las estrellas de menor masa queman hidrógeno a un ritmo más lento que las estrellas de mayor masa. La velocidad de combustión por fusión y la temperatura en el núcleo de la estrella cambian la disposición interna de las zonas convectivas y radiativas de la estrella.
La anatomía de las zonas convectivas y radiativas en estrellas de diferentes masas- Wikipedia CC0
Si una megaestructura como una Esfera Dyson está creando retroalimentación al devolver parte de la energía de una estrella, la estrella se ve afectada por esa retroalimentación de manera diferente dependiendo de dónde se encuentren las zonas radiativas y convectivas de esa estrella. Para determinar los cambios generales en la estrella, Huston y Wright crearon una simulación de cuatro estrellas diferentes, una estrella de masa solar de 0.2 (masa de nuestro propio Sol), una estrella de masa solar de 0.4, una estrella de masa solar de 1 y una de masa solar de 2 estrella. Cada una de las cuatro estrellas fue simulada con niveles de retroalimentación estelar que van del 1 al 50% con las simulaciones ejecutadas para hacer evolucionar la estrella durante el período de toda su vida útil.
Estrellas convectivas (0,2 y 0,4 masas solares)
Las estrellas de menor masa son principalmente convectivas. La retroalimentación a la estrella llega a esta zona convectiva donde se transporta hasta el núcleo de la estrella. Devolver energía al núcleo de una estrella en realidad reduce la velocidad de fusión nuclear, lo que hace que descienda la temperatura interna del núcleo, un nuevo descubrimiento del equipo de investigación que refutó estudios previos sobre los efectos de la retroalimentación en una estrella. Esta es la parte contraria a la intuición. ¿Por qué devolver energía al núcleo causaría un enfriamiento en la temperatura del núcleo?
Una estrella se mantiene unida por la gravedad que aplasta a la estrella bajo su propio peso. Esta gravedad aplastante crea presión en el núcleo de la estrella que aumenta la temperatura, ya que todos esos átomos se rompen entre sí, lo que resulta en la fusión. La energía de la fusión empuja hacia atrás contra la fuerza de la gravedad evitando un mayor colapso de la estrella y logra el equilibrio. Gravedad dentro, energía fuera.
Pero cuando se retroalimenta energía extra al núcleo, ese equilibrio se interrumpe y la estrella puede expandirse hacia afuera contra la gravedad. Los átomos en el núcleo de la estrella se separan más, se mueven más lentamente y, como resultado, no chocan entre sí con tanta frecuencia. La fusión requiere la colisión de átomos, por lo que la menor tasa de colisión reduce la tasa de fusión. Pero con la disminución de la tasa de fusión, la vida útil de la estrella aumenta significativamente. Una retroalimentación del 50% puede duplicar la vida de una estrella de masa solar de 0,2. Las estrellas de baja masa ya tienen vidas más allá de la edad actual del Universo, pero la retroalimentación podría agregar algunos cientos de miles de millones de años además de eso.
La energía devuelta también reduce las diferencias de temperatura entre la parte superior de la zona convectiva y la parte inferior de la zona convectiva porque la parte superior más fría de la zona ahora está siendo calentada por la energía que retroalimenta la esfera Dyson. El resultado es que la zona convectiva de una estrella se puede transformar parcialmente en una zona radiativa. Donde la convección normalmente habría comenzado a devolver masa y energía a la estrella, la nueva zona radiativa se extiende más hacia afuera y la estrella comienza a expandirse. La retroalimentación del 50% aumenta el radio de la estrella en un 15%. En general, la estrella no cambia de temperatura porque la temperatura central más fría se compensa con el aumento de la temperatura de la superficie debido a la retroalimentación.
Estrellas radiantes (1 y 2 masas solares)
Las estrellas de mayor masa son más radiantes que convectivas. Las partes radiantes de la estrella resisten la retroalimentación que empuja la energía adicional. A diferencia de la estrella convectiva, la retroalimentación no puede llegar al núcleo de la estrella y, por lo tanto, la vida útil de la estrella no se ve relativamente afectada ya que la velocidad de fusión permanece constante.
Sección transversal de la anatomía de nuestra propia estrella – Usuario de Wikipedia Kelvinsong CC BY-SA 3.0
Los cambios más dramáticos en el radio se producen con estrellas de 1 masa solar. 1 las estrellas de masa solar tienen un exterior convectivo delgado que contiene el 2% de su masa total. La retroalimentación entrante se acumula en la transición entre esta capa delgada y el interior radiativo más profundo creando un pico en la temperatura. El exterior convectivo se transforma para ser más radiante y comienza a hincharse. Debido a que la zona convectiva de hinchamiento es tan poco profunda, puede expandirse más fácilmente haciendo que la estrella crezca hasta triplicar su radio normal en el modelo de retroalimentación del 50%.
Si bien el núcleo de las estrellas de mayor masa no se enfría, la retroalimentación a la superficie queda atrapada por las zonas radiativas, lo que significa que estas estrellas pueden mostrar un calentamiento general de la temperatura. Además de la atenuación estelar y el brillo infrarrojo de los componentes de la Esfera Dyson, estos cambios físicos en el tamaño o la temperatura de una estrella pueden ser el “indicador” para indicar la presencia de una megaestructura.
Extendiendo Eones
Creo que gran parte del trabajo de SETI se centra en lo que podríamos detectar, pero también es interesante pensar en lo que estas tecnologías significarían para la vida que las creó. ¿Cómo les afecta y qué nos enseña sobre sus motivaciones? ¿Se podría utilizar la retroalimentación de la esfera de Dyson para extender intencionalmente la vida útil de una estrella?
-Macy Huston
Los efectos de retroalimentación pueden ser útiles en sí mismos para proyectos de ingeniería estelar de una civilización alienígena avanzada. En términos generales, más retroalimentación significa que la Esfera Dyson es menos eficiente ya que la energía se pierde de regreso a la estrella. Pero puede diseñar una esfera Dyson para crear intencionalmente tanta retroalimentación como sea posible para aumentar la vida útil de una estrella determinada. Tal vez su civilización avanzada realmente planifique con anticipación y decida que necesita unos cientos de miles de millones de años más de energía.
O podría crear un tipo de esfera Dyson llamada propulsor Shakadov. Un propulsor de Shkadov es un tipo de Esfera Dyson “fría”, esencialmente un espejo gigante que refleja casi toda la energía de la estrella. Al colocar los espejos en un solo lado de una estrella, la energía reflejada podría cambiar la dirección de la estrella en el espacio. En aproximadamente mil millones de años, una civilización podría mover un sistema solar completo varios miles de años luz a otra parte de la galaxia. ¡Oye, tal vez tu sistema solar tenga que estar en algún lugar! Un espejo espacial gigante como ese sería REALMENTE brillante y podría ser visible para los telescopios.
Nuestro nuevo súper telescopio espacial, James Webb, verá el Universo en luz infrarroja, lo que significa que podría usarse para escanear el calor de las brillantes esferas de Dyson y sus impactos en sus estrellas anfitrionas. Los resultados de estas simulaciones nos ayudan a saber de antemano lo que estamos buscando. Vivimos en una de las épocas más fascinantes en la búsqueda de vida extraterrestre, donde nuestras herramientas de observación son más poderosas que nunca, quizás lo suficientemente fuertes como para ver la arquitectura de una civilización domando a un gigante resplandeciente.