Смогут ли развитые цивилизации бороться с расширением Вселенной?

Трудно предсказать поведение развитой внеземной цивилизации, однако можно предположить, что для ее деятельности потребуется большое количество энергии. Один из самых эффективных способов получить эту энергию — соорудить вокруг звезды сферу Дайсона, которая полностью поглощает и перерабатывает энергию ее термоядерного синтеза. В то же время, в конце 1990-х годов астрономы обнаружили, что наша Вселенная расширяется с ускорением — следовательно, рано или поздно далекие звезды окажутся за горизонтом событий и получить из них энергию будет невозможно. Астрофизик Дэниел (Дэн) Хупер предположил, что достаточно развитая цивилизация попробует бороться с расширением, и проверил, к каким последствиям это приведет.

Энергия — это ключевой фактор, определяющий развитие цивилизации. Энергия нужна для производства еды и одежды, строительства домов и машин, разработки новых лекарств, запуска ракет и проведения экспериментов на Большом адронном коллайдере. Конечно, потребление энергии можно оптимизировать (например, заменяя лампы накаливания светодиодами), однако для разработки новых технологий и повышения качества жизни мощность генерации все равно приходится наращивать. Каждый год мировое энергопотребление увеличивается примерно на два процента. Например, в 1990 году суммарное энергопотребление человечества составило примерно W ~ 0,67 тераватта (один тераватт = 10¹² ватт), а в 2010 году — более 16 тераватт.

Тем не менее, человечество использует только малую часть теоретически доступной энергии. В настоящее время бо́льшую часть энергии (около 67 процентов) мы получаем, сжигая ископаемое топливо — уголь, нефть и газ. Если же представить себе, что люди покрыли всю поверхность Земли солнечными батареями или научились управлять термоядерным синтезом и «сжигать» водород, который содержится в океанской воде, то производство энергии можно было бы вывести на гораздо более высокий уровень — порядка десяти тысяч тераватт (W ~ 10¹⁶ ватт). По оценкам футуролога Митио Каку, такого уровня человечество может достигнуть в течение ближайших 100–200 лет. Теоретически мощность генерации можно увеличить еще больше, окружая Солнце сферой Дайсона — сферической оболочкой, которая полностью поглощает излучение звезды и перерабатывает его в полезную энергию. Предполагается, что достаточно развитая цивилизация обязательно будет сооружать подобные объекты вокруг своих звезд.

Таким образом, для оценки уровня технологического развития цивилизации можно использовать так называемую шкалу Кардашёва, предложенную в 1964 году советским астрономом Николаем Кардашёвым. Согласно этой шкале, цивилизации I типа используют все доступные ресурсы своей планеты (W ~ 10¹⁶ ватт), цивилизации II типа полностью перерабатывают энергию звезды (W ~ 10²⁶ ватт), а цивилизации III типа контролируют всю галактику (W ~ 10³⁷ ватт). Экстраполируя эту шкалу на промежуточные значения, можно получить формулу для типа цивилизации K = (lgW − 6)/10, где lgW — это десятичный логарифм от мощности энергопотребления, измеряемой в ваттах. Если подставить в эту формулу текущее энергопотребление Земли, можно получить, что тип человеческой цивилизации K ≈ 0,72.

Как бы то ни было, цивилизация III типа неизбежно столкнется с проблемой, которая помешает ей неограниченно наращивать энергопотребление. В конце 1990-х годов астрономы обнаружили, что наша Вселенная расширяется с ускорением — следовательно, горизонт событий ускоренно сжимается, а все гравитационно не связанные объекты «разбегаются». Подробнее про ускоренное расширение Вселенной можно прочитать в интервью с физиком Дмитрием Горбуновым или в книге Владимира Решетникова «Почему небо тёмное. Как устроена Вселенная». В результате в течение следующих ста миллиардов лет объекты, не входящие в Местную группу галактик (которой принадлежит Млечный Путь), окажутся принципиально недостижимы даже для самой развитой цивилизации — далекие звезды будут отдаляться от Местной группы со сверхсветовой скоростью, а потому догнать их и получить энергию будет невозможно. Размер же Местной группы составляет чуть более трех мегапарсек (один парсек = 3,26 светового года).

С другой стороны, цивилизация может заранее осознать, к каким последствиям приведет ускоренное расширение Вселенной, и попытается минимизировать его последствия, пока не стало поздно. Конечно, непосредственно повлиять на расширение у нее не выйдет (по крайней мере, в рамках существующих представлений о физике), однако она может собрать далекие звезды в Местную группу галактик, пока они не оказались за горизонтом событий. Астрофизик Дэниел Хупер (Dan Hooper) оценил осуществимость такого предприятия и описал его последствия, которые могут «выдать» существующую развитую цивилизацию.

Для этого физик предположил, что цивилизация, способная путешествовать с постоянной скоростью v ~ 0,001÷0,1 скорости света, достигнет далекой звезды и построит вокруг нее сферу Дайсона. После этого вся получаемая от звезды энергия будет направляться на ее ускорение, и скорость звезды будет расти пропорционально квадратному корню из времени, затраченного на транспортировку (так как скорость все время будет много меньше скорости света). Целесообразность такой транспортировки будет ограничиваться двумя факторами. С одной стороны, звезды со слишком маленькой массой производят недостаточно много энергии, чтобы набрать заметную скорость и «обогнать» отдаляющийся горизонт событий. С другой стороны, тяжелые звезды быстрее выжигают топливо, и к моменту окончания транспортировки могут полностью выгореть (время жизни звезды зависит от ее массы как τ ~ (M_S/M)^2,5, где M_S — масса Солнца).

Используя известные формулы, которые связывают светимость звезды с ее массой, ученый рассчитал, насколько далекие и тяжелые звезды сможет собрать развитая цивилизация. Оказалось, что в случае скорости v ~ 0,1 скорости света ей удастся охватить расстояния вплоть до 65 мегапарсек. В этом случае суммарное количество энергии, которое ей удастся получить, вырастет в несколько тысяч раз по сравнению с цивилизацией, не предпринимавшей подобных шагов. При уменьшении скорости доступная для цивилизации сфера действий сжимается — например, в случае v ~ 0,001 скорости света у нее не получится выйти за пределы Местной группы. Кроме того, наиболее выгодно перемещать звезды с массой от 0,1 до 2 масс Солнца — такие объекты не успевают выгореть по пути, но содержат достаточно много топлива, чтобы преодолеть расширение Вселенной. Более тяжелые звезды удается захватить только при увеличении скорости перемещения.

Наконец, исследователь оценил, к каким наблюдаемым эффектам будут приводить подобные действия со стороны развитой цивилизации. Если такая цивилизация действительно существует в наблюдаемой Вселенной и собирает звезды в соседних для нее галактиках в течение нескольких последних миллиардов лет, мы будем видеть, что спектр излучения этих галактик «краснеет», то есть смещается в сторону более длинных длин волн. В самом деле, в течение одного миллиарда лет цивилизация соберет все звезды с массами от одной до четырех масс Солнца в радиусе нескольких мегапарсек, тогда как большинство звезд из более далеких областей будут находиться в движении. Все эти звезды будут окружены сферами Дайсона и будут невидимы для телескопов — следовательно, в галактиках будут доминировать более массивные и холодные звезды, излучение которых смещено в сторону более длинных волн (то есть кажется более красным). Кроме того, движущиеся с ускорением звезды также должны излучать электромагнитные волны, однако предсказать спектральные характеристики этого излучения не представляется возможным. Поэтому Даниэл Хупер предлагает искать галактики с необычно смещенным спектром излучения. Ученый отмечает, что такие наблюдения очень сложно выполнить, однако для нескольких ближайших галактик они уже были проведены (и показали, что цивилизаций III типа там нет).

В январе этого года появилось сразу несколько исследований, которые касались тайны звезды KIC 8462852, более известной как «звезда Табби», и пытались объяснить необычные колебания ее яркости. Наряду с остальными гипотезами ученые всерьез рассматривали версию, предполагающую, что развитая цивилизация построила вокруг звезды сферу Дайсона. Подробнее про эту историю можно прочитать в нашем материале «Детективная история звезды Табби».

В марте 2016 года сотрудники Колумбийского Университета Девид Киплин и Алекс Тичи предложили способ, с помощью которого внеземная цивилизация могла бы скрыть свою планету от земных наблюдателей — ученые показали, что если подсветить лазером тень экзопланеты, ее можно сделать «невидимой» для транзитного метода поиска планет (который использует, например, телескоп «Кеплер»). Более того, для этого нужно сравнительно мало энергии — например, чтобы полностью замаскировать планету размером с Землю, понадобится около 250 мегаватт энергии, тогда как суммарная мощность электростанций Земли составляет более 2,3 тераватт. Правда, для других методов поиска, основанных на спектральном сдвиге линий или микролинзировании, этот способ не работает.