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LA THEORIE DE DYSON

 Une sphère de Dyson est une mégastructure hypothétique capture01-4-2.jpg

Une sphère de Dyson est celle d'une enveloppe, rigide et de faible épaisseur, enserrant une étoile. Cette structure s'assimile à un planétoïde. Il s'agit donc d'une coquille uniforme solide autour de l’étoile, composée d'un revêtement intégral situé à une distance de l'étoile adaptée à la résistance du matériau. On la présente aussi souvent avec une couche atmosphérique et un sol sur la surface intérieure afin de fournir un environnement pour des formes de vie organiques. Il existe une version alternative et qui consiste en une série de coquilles incurvées dont chacune ne bloque qu'une partie du rayonnement solaire, ce qui permet d'en laisser une partie atteindre les planètes du système solaire. Cette solution permet de sauvegarder la biosphère des planètes

Décrite en 1960 par le physicien et mathématicien américain Freeman Dyson, dans un court article publié dans la revue Science et intitulé Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation (« Recherche sur les sources stellaires artificielles de rayonnements infrarouges »). Cette structure d'astro-ingénierie consiste en une sphère de matière, artificielle et creuse, située autour d’une étoile et conçue pour en capturer presque toute l’énergie émise, pour une utilisation industrielle. Dyson nomme également cette structure « biosphère artificielle ».

capture02-3-1.jpg Le physicien et mathématicien Freeman J. Dyson en 2007

 Bien que Dyson ait été le premier à formaliser et populariser le concept de sphère de Dyson, l’idée lui est venue en 1945 après la lecture d'un roman de science-fiction d'Olaf Stapledon intitulée Star Maker (Créateur d'étoiles, 1937). Dyson a également été influencé par la sphère imaginée par le Britannique John Desmond Bernal en 1929. Dans son article, Dyson explique qu'une telle sphère est un moyen idéal pour une civilisation très avancée de faire face à un accroissement démographique exponentiel. Il la décrit comme une coquille enserrant son étoile parente, captant la quasi intégralité de sa radiation solaire. Dyson explique que de telles sphères pourraient aussi abriter des structures d'habitations. Enfin, il recommande d'observer la galaxie dans l'infrarouge afin de détecter de possibles sphères dans notre galaxie

Solution au paradoxe de Fermi

Le paradoxe de Fermi est un questionnement quant à l'absence de signes d'une civilisation extraterrestre, alors même que l'univers est ancien et que, donc, le nombre de mondes abritant l'intelligence, devrait être élevé. Plusieurs solutions ont tenté d'expliquer ce paradoxe, ce « grand silence ». Au moyen de son hypothèse de biosphères artificielles, Dyson pense qu'une civilisation de type II n'aurait aucun besoin de quitter son étoile d'origine. Grâce à une sphère de Dyson enserrant son soleil, elle pourrait en capter toute l'énergie nécessaire, sans avoir à explorer la galaxie. Les extraterrestres pourraient tout aussi bien rester chez eux pour des raisons philosophiques, ou parce qu'ils auraient développé un puissant environnement virtuel dans lequel ils vivraient totalement.

Dans un article de 1966, intitulé The Search for Extraterrestrial Technology, Dyson considère que la meilleure preuve d'une activité extraterrestre passe par la recherche de signes technologiques, et non par celle des signaux intelligents : « c'est la technologie, et non l'intelligence que nous devons rechercher » explique-t-il. Or, en raison de l'immensité de l'espace, « la technologie que nous avons le plus de chances de détecter est celle qui s'est accrue au cours du temps, jusqu'à atteindre une extension importante ». Selon Dyson, trois règles en la matière sont à prendre en compte. Premièrement, on doit établir les caractéristiques des plus grandes activités artificielles imaginables. Cette technologie doit être recherchée au sein du cadre des lois physiques, sans tenir compte des motivations sociétales et culturelles. Secondement, on ne doit envisager une technologie qu'à partir de ce que l'on connaît sur Terre des possibilités technologiques. Enfin, il faut ignorer la problématique du coût économique. Ce dernier ne s'envisage en effet que sur de courtes échelles de temps. En effet, si l'on part du principe qu'une croissance économique extraterrestre serait semblable à la nôtre, et donc, progresserait d'au moins 1 % par an, ces problèmes seraient résolus dans une échelle de temps de l'ordre du millier d'années, ce qui est négligeable à l'échelle des temps astronomiques. En considérant la démographie et l'économie, la croissance démographique est, par voie de conséquence, hors de contrôle pour des civilisations supérieures à la nôtre.

La recherche de civilisations extraterrestres utilise principalement l'outil statistique dit « équation de Drake ». Certain chercheurs ont donc reformulé l’équation de Drake en y incèrent les possibilités de la sphère de Dyson

« NDy » étant la fraction de biosphères artificielles dans la galaxie alors que LDy est la durée de vie moyenne d'une sphère de Dyson ; « Lc » est la durée de vie moyenne d'une étoile, en précisent que cette durée de vie peut être plus longue que celle d'une civilisation

Dyson, mais aussi d'autres auteurs après lui, ont décrit les propriétés de cette sphère, aussi bien concernant sa composition, sa température, sa localisation au sein de son système solaire, voire sa capacité de déplacement. L'idée qu'une civilisation extraterrestre avancée puisse pallier ses problèmes énergétiques au moyen d'une biosphère artificielle est une solution possible au paradoxe de Fermi, problème auquel Dyson a tenté de répondre en en précisant les conditions d'observation. Il existe plusieurs variétés de sphères de Dyson : coquille, essaim ou encore bulle. Le modèle élaboré par Dyson a influencé nombre de mégastructures hypothétiques.

capture16-3.jpgPlusieurs programmes de recherche de possibles sphères de Dyson ont été menés depuis 1985. Si des étoiles ont pu afficher des caractéristiques proches de celles attendues concernant ces mégastructures spatiales, aucune conclusion n'a pu être tirée concernant l'existence probante de tels objets artificiels. La science-fiction a beaucoup utilisé l'idée de Dyson, que ce soit en littérature, au cinéma, ou dans les jeux vidéo.

Dyson a également connaissance des travaux de l’astronome russe Nikolaï Kardashev, qui a établi une classification des civilisations extraterrestres, selon l'usage qu'elles font de l'énergie disponible dans leurs environnements.

Une civilisation de type I est capable d'utiliser toute l'énergie disponible sur sa planète d'origine (approximativement une puissance de 1,74×1016 Watts, soit l'équivalent de dix millions de réacteurs nucléaires comme l'EPR).

Une civilisation de type II doit s'avérer capable de collecter toute l'énergie de son étoile centrale soit une puissance valant à peu près 1026 W. Une sphère de Dyson appartient donc au type II.

Une civilisation de type III a à sa disposition toute l'énergie émise par la galaxie dans laquelle elle est située, soit près de 1036 W.

S'appuyant sur cette échelle, Dyson a calculé qu'une société avec 1 % de croissance économique annuelle peut atteindre le type II en 2 500 ans, c'est-à-dire qu'elle est susceptible de puiser directement, et intégralement, son énergie de son étoile

L’idée de Dyson

Il part du postulat que des civilisations extraterrestres ont une avance technologique sur l'humanité : « Il est donc plus que probable que de tels êtres observés par nous auront existé depuis des millions d'années, et auront atteint un niveau technologique surpassant le nôtre par de nombreux ordres de magnitude. Une hypothèse de travail raisonnable est alors que leur habitat se sera étendu jusqu'aux limites fixées par les principes malthusiens. » Dyson postule ensuite que ces civilisations extraterrestres possèdent un système solaire semblable au nôtre : « En prenant notre propre système solaire comme modèle, nous atteindrons au moins une image possible de ce qui pourrait normalement arriver ailleurs. Je n'affirme pas que cela se produira dans notre système ; je dis seulement que c'est ce qui pourrait s'être produit dans d'autres systèmes. »

Or, une civilisation extraterrestre à la conquête de son système solaire, et assez avancée technologiquement et a donc besoin d'une double alimentation : en matière et en énergie. Dyson rappelle que celle de l'espèce humaine est actuellement (en 1960) de l'ordre de 1020 ergs/s Cependant : « Les quantités de matière et d'énergie dont on pourrait imaginer qu'elles nous deviennent accessibles au sein du système solaire sont de 2 x 1030 g (la masse de Jupiter) et 4 x 1033 ergs/s (la diffusion totale de l'énergie solaire). » Dyson évoque donc deux solutions accessibles à une civilisation hautement avancée, au sein de son système solaire : son étoile (le Soleil dans le cas de la Terre) pour l'énergie et sa géante gazeuse (Jupiter le cas échéant) pour la matière. La masse de la géante gazeuse, une fois manipulée à cette fin, permettrait de créer une mégastructure apte à capter l'énergie de l'étoile. Toutefois, la manipulation technologique permettant d'utiliser cette source nécessite elle-même de l'énergie. Dyson imagine en effet de « désassembler et de réarranger une planète de la taille de Jupiter », et estime cette opération à environ 1044 ergs, c'est-à-dire à une quantité d'énergie égale à celle radiée par le Soleil en 800 ans. « Enfin, la masse de Jupiter, si elle est distribuée dans une coque sphérique tournant autour du Soleil au double de la distance d'où s'y trouve la Terre, aurait une épaisseur telle que la masse soit de 200 g/cm2 de surface (2 à 3 m, en fonction de la densité). Une coque de cette épaisseur pourrait être rendue habitable avec confort, et pourrait contenir toute la machinerie nécessaire à l'exploitation de la radiation solaire tombant dessus depuis l'intérieur. »

Le physicien revient sur la nécessité civilisationnelle de cette mégastructure, expliquant comment l'accroissement démographique a pu motiver la construction d'une biosphère artificielle : « sauf accidents, les pressions malthusiennes finiront par amener les espèces intelligentes à adopter une telle exploitation efficace des ressources à leur disposition. On devrait s'attendre à ce que, dans les quelques milliers d'années de son entrée dans l'étape de son développement industriel, toute espèce intelligente se retrouve à occuper une biosphère artificielle entourant complètement son étoile parente. » Dyson conclut son article sur la possibilité, étant donné son exposé, d'observer le ciel en ne se limitant plus aux étoiles visibles, mais en étendant l'investigation aux sources d'émissions infrarouges (ce qu'il nomme les « étoiles infrarouges »). En effet : « L'habitat le plus probable pour de tels êtres serait un objet sombre, d'une taille comparable à celle de l'orbite terrestre, et d'une température de surface de 200 K à 300 K. Un tel objet sombre irradierait aussi intensément que l'étoile cachée à l'intérieur, mais la radiation serait dans l'infrarouge lointain, autour d'une longueur d'onde de 10 microns » Les candidates à cette observation dans l'infrarouge sont donc susceptibles d'être les « étoiles connues pour être des étoiles binaires avec des compagnons visibles. »

Les critiques

L'écrivain et critique scientifique britannique John Maddox, du Washington Post, réagit le premier à l'hypothèse de Dyson. Ce dernier considère la suggestion de Dyson comme peu réaliste, car la structure de la sphère ne respecte pas les lois mécaniques. Maddox pense qu'« il n'est pas concevable d'utiliser une planète comme Jupiter comme carrière à matériaux ». De plus, l'hypothèse de Dyson ne peut aboutir à réaliser une coque rigide capable de résister aux forces de cisaillement et à celles qui auraient tendance à déplacer l'ensemble vers le plan équatorial, déformant ainsi l'ouvrage. Maddox critique également le fait qu'une telle structure puisse atteindre une dimension d'une unité astronomique de rayon. L'écrivain scientifique considère que des êtres réellement intelligents et avancés auraient plutôt opté pour une structure en tore, couchée dans un plan perpendiculaire à l'axe de sa propre rotation, et ce même si cette configuration ne capterait qu'une infime partie de la radiation solaire par rapport au modèle de Dyson. Enfin, il ne comprend pas le lien entre la pression démographique future et la nécessité de créer des biosphères artificielles.

Il concède qu'« une coquille solide ou un anneau entourant une étoile est mécaniquement impossible. » Il continue : « La forme de biosphère » que j'ai envisagée consiste en une collection lâche ou un essaim d'objets sur des orbites indépendantes voyageant autour de l'étoile. La taille et la forme des objets individuels seraient choisies en fonction de ses habitants. » À la question de l'accroissement démographique, Dyson répond que les conclusions obtenues sont une « affaire de goût ». Il se contente de répondre qu'une telle augmentation ne saurait être planifiée ou imposée par un État policier ou dictatorial. Il reconnaît toutefois que ce sont des vues anthropomorphiques. Enfin, il note que la découverte de sources infrarouges typiques ne saurait prouver la vie extraterrestre. Plusieurs auteurs et scientifiques réagissent par la suite à l'hypothèse de Dyson. Carl Sagan et Russell G. Walker, dans The Infrared Detectability of Dyson Civilizations (1966) qualifient l'article de Dyson de très « stimulant ». Ils voient dans ses sphères un projet capable de mettre fin aux problèmes d'alimentation en énergie et de surpopulation

D’autres idées

Dyson a ouvert la voie à d'autres hypothèses quant à l'existence de mégastructures, construites par des civilisations extraterrestres. Le mathématicien lui-même, en 2003, dans son article Looking for life in unlikely places : reasons why planets may not be the best places to look for life, a proposé la possibilité qu'une civilisation utilise des formes de vie dispersées dans l'espace, qu'il se représente comme des tournesols (sunflowers), pour collecter l'énergie des étoiles distantes.

Ces projets, qui peuvent être appelés d'astro-ingénierie, mégaprojets ou encore macroprojets spatiaux, Nick Szabo a imaginé des sphères de Dyson immergées au sein de leurs étoiles parentes. Cette structure pourrait capter directement l'énergie thermonucléaire à sa source Cole a imaginé quant à lui en 1963 d'utiliser un astéroïde pour établir une colonie spatiale. Il s'agirait de le creuser et de recueillir la lumière solaire au moyen de miroirs. Ces « bubbleworlds » pourraient être utilisés pour explorer la galaxie. A. C. Charani pense qu'il est envisageable de créer une sphère de Dyson miniature, autour d'un astéroïde, ce qui permettrait de le stabiliser et de lui adjoindre une atmosphère viable.

Localisation

Les sphères hypothétiques imaginées par Freeman J. Dyson seraient situées au sein des écosphères, ou zones d'habitabilité continuelles (continuously habitable zone, CHZ) de la galaxie. Au sein d'un système solaire, la structure serait située à une distance d'environ une unité astronomique (AU) de son étoile parente, soit approximativement à une distance similaire à celle de l'orbite de la Terre. Cette orbite idéale est également celle favorable à l'état liquide de l'eau.

Afin de produire la gravité artificielle suffisante, la sphère doit être en rotation autour de son étoile parente. Mais le taux de rotation induit une contrainte mécanique énorme, la déformant en un sphéroïde oblong. Ainsi, et même si l'intégrité de la sphère ne serait pas compromise, seules les régions proches de son équateur devraient être habitables. Sur ce point, l'idée de Dyson a été critiquée. Papagiannis (1985) a démontré par le calcul qu'une coquille sphérique rigide ne peut être construite, compte-tenu de la force gravitationnelle, de la pression des rayonnements solaires et des effets centripètes. Suivant ce raisonnement, Papagiannis considère que seul 1 % de la lumière émise par l'étoile parente pourraît être captée. Une sphère de type II serait par ailleurs instable car la moindre collision, avec un astéroïde ou une comète par exemple, causerait une dérive de la structure et, même, un effondrement sur son soleil. L'instabilité d'une sphère de Dyson, le fait qu'elle dériverait très certainement par rapport à son orbite idéale, constitue une autre critique de l'hypothèse de Dyson

Température

Une étoile contenue dans une sphère de Dyson ne serait pas directement visible de l’univers extérieur, mais la sphère émettrait par elle-même une quantité équivalente d’énergie sous forme de lumière infrarouge à cause de la transformation du rayonnement de l’étoile en chaleur ; c'est donc une source observable de « radiation infrarouge d'origine artificielle » selon l'expression du mathématicien. Jun Jugaku estime que même si un centième de l'énergie de son soleil est utilisée par la sphère, et si cette dernière est maintenue à une température de 300 K, alors elle devrait être facilement détectable puisque sa magnitude atteindrait de fait 12 µ et être observable par photométrie infrarouge. De plus, comme les sphères de Dyson seraient composées de matière solide au lieu de gaz chauds, le spectre d’émission de celles-ci ressemblerait plus au spectre d’un corps noir qu’à celui d’une étoile ordinaire, qui a des propriétés d’absorption introduites dans l’atmosphère stellaire. Dyson a proposé que les astronomes cherchent des « étoiles » géantes présentant des anomalies afin de détecter des civilisations extraterrestres avancées, mais les résultats sont encore sujets à caution. Selon Viorel Badescu, la température ambiante de la sphère doit être proche de celle du corps humain. Sa conception doit aussi permettre le meilleur rendement possible de production d'électricité. Son rayon doit donc dépendre de la température ambiante recherchée.

La sphère de Dyson peut être un essaim d'habitats artificiels et de mini planètes capables d'intercepter l'essentiel de l'énergie radiée par l'étoile parente. L'énergie solaire captée (à une unité astronomique, elle équivaut à 1 368 watts/m) peut être directement convertie par divers procédés tels que : serres, chauffage, cellules photovoltaïques, entre autres procédés. En vertu de la seconde loi de la thermodynamique, l'excédent d'énergie doit être rejeté dans l'espace alentour ; la température de la sphère devrait donc atteindre en surface 200 à 300 K. En vertu du principe de médiocrité, l'exemple du système solaire doit être pris comme le seul référent théorique. L'utilisation efficace de l'énergie de l'étoile serait donc accomplie et le signe visible tient dans le fait que la température de la sphère est beaucoup plus faible que la température effective de son étoile.

L’idée première de Dyson

L'idée initiale de Dyson nommée « type I » est celle d'une coquille rigide et de faible épaisseur, enserrant une étoile. Pour Richard A. Carrigan, cette structure s'assimile à un planétoïde. Il s'agit donc d'une coquille uniforme solide autour de l’étoile, composée d'un revêtement intégral situé à une distance de l'étoile adaptée à la résistance du matériau. On la présente aussi souvent avec une couche atmosphérique et un sol sur la surface intérieure afin de fournir un environnement pour des formes de vie organiques. Il existe une version alternative et qui consiste en une série de coquilles incurvées dont chacune ne bloque qu'une partie du rayonnement solaire, ce qui permet d'en laisser une partie atteindre les planètes du système solaire. Cette solution permet de sauvegarder la biosphère terrestre

De dimension galactique

Des auteurs ont proposé des structures de Dyson à l'échelle d'une galaxie. Ce type de mégastructure utiliserait l'énergie totale radiée par les milliards d'étoiles formant la galaxie. Kardashev a proposé le premier l'idée qu'une civilisation dite de type III puisse mener des projets d'astro-ingéniérie aux dimensions d'une galaxie. Cette hypothèse comprend aussi l'alternative selon laquelle la galaxie pourrait être peuplée de millions de sphères de Dyson individuelles. De telles mégastructures seraient visibles jusqu'à des limites très avancées de l'univers visible.

La détection

Selon Richard A. Carrigan, a etablie un rapport entre certains objets cosmologiques exotiques (tels que les quasars) et les sphères de Dyson. Carrigan évoque également la possibilité que les « bulles de Fermi » récemment détectées par le téléscope Fermi, sorte de vide dans la lumière visible, aux dimensions considérables, soient des mégastructures permettant de capter l'énergie radiée par les étoiles environnantes. Plusieurs galaxies abriteraient de telles bulles de Fermi, dont, en particulier, M51, observée par Spitzer en 2008.

Utilisant les données infrarouges du téléscope spatial IRAS, ont été menées sur 200 000 objets. Plusieurs sources d'émission ont été retenues et analysées mais aucune ne peut être rapprochée avec certitude d'une sphère de Dyson. Les observations ont permis de conclure que de tels objets artificiels peuvent être confondus avec de minces nuages de poussière entourant les géantes rouges. Nikolaï Kardashev, M. Y. Timofeev, et V. G. Promyslov ont réalisé en 2000 de nouvelles observations au moyen de la base de données de l'IRAS. Ils n'ont également pu conclure quant à l'existence avérée de mégastructures semblables à celles décrites par Dyson.

Les quasars pourraient être de possibles sphères de Dyson à l'échelle galactique. Ici, une source quasar au sein de la galaxie NGC 7319.

Sur les 250 000 sources infrarouges détectées, trois candidates potentielles au titre de sphère de Dyson (« Quasi-Dyson Spheres », QDS) ont été détectées dans l’univers connu grâce au télescope spatial IRAS (satellite astronomique infrarouge) et aux travaux de Jun Jugaku, professeur d’astrophysique à l'Université Tōkai, au Japon, en 2003. Jugaku et Nishimura ont utilisé le catalogue de Wolley et alii (1970) qui liste 1 744 systèmes solaires. Ils ont ciblé 887 étoiles de types spectraux F, G et K et d'une luminosité de classes IV, V et VI. Ils ont ensuite croisé ces données avec celles de l'IRAS Point Source Catalog (1988) et ont mis en évidence 458 étoiles ayant une magnitude de 12 µ. Près de 384 étoiles enfin ont été observées, avec une émission infrarouge supplémentaire ; trois d’entre elles avaient un rayonnement particulièrement important, donc, artificiel selon l’étude. Celle-ci n’a pas été contredite dans ses résultats mais dans son interprétation et le professeur Jugaku lui-même reste réservé sur la nature de ces objets : même s’ils en présentent les caractéristiques, rien ne prouve que ce soient des sphères de Dyson.

Alors pourquoi pas…

 

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