宇宙人を探すなら、小型で高温のダイソン球を探せ

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1960年、伝説的な物理学者Freeman Dysonは、「赤外線を放射する人工的な恒星源の探索」という画期的な論文を発表し、親星を取り囲むほどの巨大建造物を建設できるほど高度な地球外文明が存在する可能性を提唱した。彼はまた、「ダイソン球」と呼ばれるようになったこれらの球体は、中間赤外線の波長で放出される「廃熱」に基づいて検出できると指摘した。今日に至るまで、赤外線シグネチャーは地球外知的生命体探査(SETI)において有効なテクノシグネチャーとみなされている。

これまでのところ、ダイソン球の「廃熱」シグネチャーを検出しようとする努力は空振りに終わっている。太陽系外惑星・居住可能世界センターとペンシルバニア州立地球外知的生命体センター(PSTI)のJason T. Wright天文学・天体物理学教授は、新しい論文の中で、SETI研究者たちに、活動の兆候を探すことで探索を洗練させることを勧めている。つまり、ダイソン球が熱の痕跡だけでなく、何に使われる可能性があるかに基づいて探すことを勧めている。

Wright氏の研究の鍵は、ランズベルク限界(Landsberg Limit)にある。ランズベルク限界とは、熱力学の概念で、太陽放射を利用するための理論的な効率限界である。Dysonの最初の提案は、光合成生命体が酸素ガスや有機栄養素を生産するために利用するように、すべての生命は自由エネルギー勾配を利用するという考えに基づいていた。彼はさらに、技術的に進歩した生命は、このエネルギーをより大量に利用し、利用するために成長することができると主張した。しかし、この能力には絶対的な限界がある。星から放出されるエネルギーの総量(可視光、赤外線、紫外線など)である。

エネルギーは保存されなければならないため、Freeman Dysonは、ダイソン球から廃熱として排出されるエネルギーもあるはずだと考えた。Dysonの時代に急成長していた赤外線天文学の進歩を利用すれば、天文学者は理論上、この熱を探すことで高度な文明が使用するエネルギーを測定することができる。現在までに、赤外線天文衛星(IRAS)、広視野赤外線サーベイ・エクスプローラー(WISE)、そして「あかり」による全天中間赤外線観測が行われたのみである。

「伝統的に、我々は星からの赤外線放射を探し、その星が星の光から暖かい軌道物質を持っているかどうかを調べる。もし、その星が一般的に周回する物質を持っているような星でなければ、その物質が塵か何かのように見えるかどうか、より詳しく調べることができる」。しかし、ダイソン球の物質の性質が未知のままであるため、廃熱がどのように見えるかについての基礎理論がないという事実によって、今日まで試みられてきたすべての探索は、いくらか妨げられてきた。

Wright自身を含む天体物理学者によって、ダイソン球の熱シグネチャーがどのように見えるかについての理論的モデルがいくつか提案されているが、それらはかなり単純で、多くの仮定に基づいている。これらの仮定には、シェルの球面対称性や恒星からの軌道距離などが含まれるが、典型的な温度や放射相互作用、物質の光学的深度を予測することはできない。これは、ダイソン構造の目的(どのような “仕事 “をするのか)に関係するもので、そこからダイソン構造の材料特性について推測することができる。

Freman Dysonは、星のエネルギーを取り込むことは、このような巨大構造物を建設する動機の一つに過ぎないと認めている。例えば、何人かのSETI研究者は、ダイソン構造を恒星を動かすエンジン(シュカドフ・スラスター)や巨大なスーパーコンピューター(マトリョーシカ・ブレイン)として利用することを提案している。その名の通り、マトリョーシカ・ブレインは入れ子構造になっており、内層が直射日光を吸収し、外層が内層からの廃熱を利用して計算効率を最適化する。

さらにWright氏は、そのような構造物を建設する際の工学的な課題にも取り組んだ。Dysonが巨大構造物の存在の唯一の根拠として物理法則に注目したのに対し、Wrightは工学的な現実性も考慮した。そこから彼は、文明はスフィアの一部を徐々に建設し、恒星の周囲に居住可能な容積を徐々に増やしていく動機付けがあるのではないかと考えた。これらのことを念頭に置きながら、ライトは計算機としてのダイソン球に放射の熱力学を適用し、観測可能な結果がどうなるかを考えた。

彼は、入れ子のような殻を作る利点はほとんどなく、質量を最適に利用するには、より小さく、より高温のダイソン球が有利であると結論づけた。さらに、ダイソン球体の「完成品」(恒星の周りに完全に組み立てられたもの)と、まだ組み立て途中のものとの間には、観察可能な違いがあるだろうと指摘した。Wright氏はこう説明した:

「ダイソン球は、その効率を最大化するために非常に大きく冷たい球体であろうという何人かの著者の予想に反して、私は、一定の質量バジェットに対して、最適な構成は、実際には非常に小さく、高温の球体であり、逃げる光のほとんどを捕らえるが、全ては捕らえられないことを発見した。なぜなら、星からの光の取り出しは、恒星に近い、より高温の場所ほど効率的だからである」。

これらの発見は、将来のダイソン構造の探索に役立つ可能性がある。特筆すべき例外は、天体物理学博士課程の学生 Mathias Suazo(ウプサラ大学)とプロジェクト・ヘファイストスの同僚たちの研究である。Suazo氏は6月、第2回ペンシルベニア州立大学SETIシンポジウムの一環として彼らの研究を発表し、プロジェクトの科学者たちが、ESAのガイア天文台、2ミクロン全天サーベイ(2MASS)、NASAの広視野赤外線サーベイ探査機(WISE)のデータを組み合わせて、巨大構造の存在を示す可能性のある熱シグネチャを絞り込んで探索した方法を説明した。

その結果、直径1,000光年の範囲に約500万個の候補が見つかった。Suazo氏と彼のチームは、温度と光度プロファイルに基づく「ベストフィット」モデルを作成し、自然天体の可能性を排除した後、候補を20個に絞り込んだ。これらの天体は近い将来、次世代望遠鏡による追跡観測の対象となるだろう。一方、探索は続いており、巨大構造物の決定的な証拠は得られていないが、可能性は残されている。

Dysonが有名なように、このようなエンジニアリングの可能性のある動機について述べた。「私のルールは、100万に1つの技術社会が、物理的に可能である限り、そうせざるを得ないと感じないような、それほど大きく、それほどクレイジーなことは何もないということである」。我々の銀河系でメガエンジニアリングプロジェクトに取り組んでいる高度文明がほんの一握りであるならば、遅かれ早かれ我々はそれを嗅ぎつけるだろう。


論文


この記事は、MATT WILLIAMS氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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masapoco

TEXAL管理人。中学生の時にWindows95を使っていたくらいの年齢。大学では物理を専攻していたこともあり、物理・宇宙関係の話題が得意だが、テクノロジー関係の話題も大好き。最近は半導体関連に特に興味あり。アニメ・ゲーム・文学も好き。最近の推しは、アニメ『サマータイムレンダ』

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