|
Сферы и кольца Дайсона могут быть стабильными
|
|
|
|
В научной фантастике сферы Дайсона и кольцевые миры десятилетиями использовались в качестве основы. Но хорошо известно, что простейшие конструкции неустойчивы к гравитационным воздействиям и, следовательно, могут быть разорваны на части. Теперь ученый из Шотландии, Великобритания, показал, что определенные конфигурации этих объектов вблизи системы с двумя массами могут быть устойчивы к таким разрушениям. Работа опубликована в журнале Monthly Notices Королевского астрономического общества.
|
|
|
|
"Будучи студентом, я прочитал "Мир-кольцо" и "Инженеры мира-кольца", поэтому меня давно увлекает инженерное дело астрономических масштабов", - говорит Колин Макиннес, автор серии научно-фантастических романов Ларри Нивена "Мир-кольцо". Макиннес - профессор инженерных наук и заведующий кафедрой Джеймса Уотта в Университете Глазго в Шотландии.
|
|
|
|
Физик Фримен Дайсон впервые предложил то, что стало известно как сфера Дайсона, в статье 1960 года в журнале Science. Это структура-оболочка, которая полностью окружала бы звезду, построенная из разрозненного планетарного материала в Солнечной системе и требующая большого количества энергии. (Космический корабль "Энтерпрайз" столкнулся со сферой Дайсона в шестом сезоне сериала "Звездный путь: следующее поколение".) Цель состоит в том, чтобы собрать всю энергию звезды для использования развитой цивилизацией.
|
|
|
|
Дайсон подсчитал, что такая сферическая оболочка могла бы быть построена из всего материала Солнечной системы — по сути, из массы Юпитера — на расстоянии, вдвое превышающем расстояние Земли от Солнца. В зависимости от плотности, толщина оболочки могла бы составлять несколько метров.
|
|
|
|
|
|
|
Дайсон полагал, что "...если не произойдет несчастных случаев, мальтузианское давление, в конечном счете, заставит разумный вид начать столь эффективное освоение имеющихся у него ресурсов". Такая оболочка в космосе была бы для нас явно темным объектом, но она нагревалась бы и испускала инфракрасное излучение в космос.
|
|
|
|
Но твердая сфера Дайсона, вращающаяся вокруг одиночной звезды, хотя и была бы жесткой, была бы неустойчива к гравитационным силам и развалилась бы на части. Объекты внутри оболочки не будут ощущать суммарной гравитационной силы, исходящей от оболочки, — результат, известный как теорема Ньютона о оболочке, — и поэтому звезда будет дрейфовать при любом незначительном изменении массы оболочки, при любом отклонении от идеальной сферической симметрии.
|
|
|
|
В этом случае оболочка будет ощущать асимметричные гравитационные силы, исходящие от дрейфующей звезды, и испытывать силы напряжения, которые вполне могут разорвать ее на части. Массы, находящиеся вблизи оболочки, но за ее пределами, также будут создавать различные силы, действующие на оболочку. Как следствие, писатели-фантасты и астрофизики рассматривали отдельные фрагменты оболочки или лоскутное одеяло, окружающее звезду, как реалистичную сферу Дайсона.
|
|
|
|
Точно так же жесткое кольцо вокруг звезды или планеты, как в серии романов Ларри Нивена "Мир-кольцо", также нестабильно, поскольку при малейшей разнице в силе тяжести оно будет дрейфовать и столкнется со звездой. Итак, Макиннес рассмотрел ограниченную задачу о трех телах, в которой две равные массы вращаются вокруг друг друга по кругу, а в плоскости их орбит вращается однородное кольцо бесконечно малой массы. Кольцо может содержать обе массы, только одну или ни одной.
|
|
|
|
В отличие от полной задачи о трех телах, которая не имеет аналитического решения, "это интересная проблема орбитальной динамики сама по себе", - сказал Макиннес. "Понимание стабильности таких структур связано с исследованиями SETI [Поиск внеземного разума]". Макиннес также исследовал ограниченную оболочкой задачу о трех телах с оболочкой бесконечно малой массы, опять же с оболочкой, содержащей две массы, одну или ни одной.
|
|
|
|
Что касается замкнутого кольца, Макиннес обнаружил, что в плоскости орбит двух масс есть семь точек равновесия, в которых, если бы центр кольца был расположен, оно оставалось бы неподвижным и не испытывало бы напряжений, подобно трем стабильным точкам Лагранжа, где небольшая масса может постоянно находиться для двух тел. проблема. (Например, космический телескоп Джеймса Уэбба расположен в точке Лагранжа солнечной орбиты в 1,5 мкм от Земли на линии Солнце-Земля.) Центр кольца не должен был бы располагаться на двух окружностях, которые Макиннес называет "наборами столкновений", где — если бы он был помещен в любую точку — он соприкасался бы с одной из двух масс.
|
|
|
|
Из точек равновесия, где мог бы находиться центр кольца, одна имеет кольцо, охватывающее обе массы, две точки охватывают одну массу, а четыре не охватывают ни одну из масс. Из четырех окружностей, не содержащих колец, две лежат на линии, соединяющей центры масс, а две ("треугольные точки") расположены на линии, перпендикулярной этой линии, проходящей через центр между ними; их точное местоположение зависит от радиуса кольца. Таким образом, пять равновесий лежат на линии, соединяющей массы, и два перпендикулярны этой линии.
|
|
|
|
Макиннес ограничил это исследование плоским кольцом (в плоскости масс, обращающихся по круговой орбите), но говорит, что можно показать, что вертикальное кольцо, перпендикулярное плоскости, также может создавать равновесие. Например, одной из таких точек является вертикальное кольцо, центр которого находится посередине между двумя массами.
|
|
|
|
Для дайсоноподобной полой сферы бесконечно малой массы задача о трех телах, ограниченных оболочкой, показывает сходные равновесия. Оболочку можно представить как связанную серию колец одинакового радиуса, расположенных вокруг одной и той же точки, и для упрощения задачи можно воспользоваться теоремой Ньютона о оболочке: масса вне оболочки воздействует на оболочку гравитационно, как если бы вся масса оболочки находилась в ее центре. Для оболочки, заключающей в себе обе массы, ни одна из них не оказывает влияния на оболочку, и центр оболочки может быть помещен в любую точку, где обе массы заключены в оболочку.
|
|
|
|
Однако это неустойчивая равновесная конфигурация, поскольку оболочка не ощущает воздействия масс и поэтому может свободно дрейфовать относительно двух масс и в конечном итоге столкнется с ними.
|
|
|
|
Если оболочка не содержит ни одной массы, то из теоремы Ньютона о оболочке следует, что оболочку можно рассматривать как точечную массу в ее центре, и ситуация сводится к классической ограниченной задаче о трех телах. Макиннес обнаружил, что существует семь точек равновесия, в которых оболочка может быть отцентрирована, но единственная позиционно стабильная конфигурация - это когда она охватывает меньшую из двух звездных масс. (Если оболочка заключает в себе одну массу, она не ощущает гравитационной силы со стороны этого объекта, но действует как точечная масса по отношению к другой; масса внутри оболочки будет вращаться вокруг центра масс двух звезд.)
|
|
|
|
Здесь наборы столкновений представляют собой сферы, а не кольца, и указывают, где центр сферы не может быть расположен без контакта с массой. Математика Макиннеса показывает, что "сфера Дайсона, таким образом, в принципе может находиться в стабильной равновесной конфигурации в двойной системе, если вторичная масса имеет радиус, равный примерно половине радиуса первичной массы", предполагая, что звезды имеют одинаковую плотность.
|
|
|
|
По словам Макиннеса, эти результаты могут помочь в поисках внеземного разума: "Если мы сможем понять, когда такие структуры могут быть стабильными, то это потенциально может помочь в проведении будущих исследований SETI".
|
|
|
|
Важным техническим признаком могла бы быть одна яркая звезда, вращающаяся в тандеме с объектом, демонстрирующим сильное инфракрасное излучение. Также возможны оболочки вокруг пары Солнце-экзопланета или экзопланета-экзопланета-экзопланет. Вложенный набор сфер Дайсона также является приемлемой геометрией.
|
|
|
|
Источник
|
