Imagine a distant future when humans reach beyond our pale blue dot, forge cities on planets thousands of light-years away, and maintain a galactic web of trade and transport. What would it take for our civilization to make that leap? There are many things to consider— how would we communicate? What might a galactic government look like? And one of the most fundamental of all: where would we get enough energy to power that civilization— its industry, its terraforming operations, and its starships?
Imaginez un futur lointain où les humains iraient au-delà de notre point bleu pâle, bâtiraient des villes sur des planètes à des milliers d'années-lumière et maintiendraient un réseau galactique de commerce et de transports. Que faudrait-il à notre civilisation pour accomplir ce bond ? Beaucoup de choses sont à envisager : comment communiquer ? À quoi pourrait ressembler un gouvernement galactique ? Et l'une des plus fondamentales de toutes : où trouverions-nous assez d'énergie pour alimenter cette civilisation – son industrie, ses opérations de terraformation et ses vaisseaux ?
An astronomer named Nikolai Kardashev proposed a scale to quantify an evolving civilization’s increasing energy needs. In the first evolutionary stage, which we’re currently in, planet-based fuel sources like fossil fuels, solar panels and nuclear power plants are probably enough to settle other planets inside our own solar system, but not much beyond that. For a civilization on the third and final stage, expansion on a galactic scale would require about 100 billion times more energy than the full 385 yotta joules our sun releases every second. Barring a breakthrough in exotic physics, there’s only one energy source that could suffice: a supermassive black hole.
Un astronome nommé Nikolaï Kardachev a proposé une échelle pour quantifier les besoins énergétiques accrus d'une civilisation en évolution. Dans la première phase d'évolution, dans laquelle nous sommes actuellement, les sources d'énergie planétaires comme les combustibles fossiles, les panneaux solaires et les centrales nucléaires seraient suffisantes pour intégrer des planètes à notre système solaire, mais pas beaucoup plus. Pour une civilisation au troisième et dernier stade, l'expansion galactique demanderait près de 100 milliards de fois plus d'énergie que les 385 yottajoules que notre soleil libère chaque seconde. À moins d'une percée dans le domaine de la physique exotique, une seule source d'énergie pourrait suffire : un trou noir supermassif.
It’s counterintuitive to think of black holes as energy sources, but that’s exactly what they are, thanks to their accretion disks: circular, flat structures formed by matter falling into the event horizon.
Il est contre-intuitif de penser aux trous noirs comme source d'énergie, mais c'est exactement ce qu'ils sont grâce à leurs disques d'accrétion : des structures circulaires plates formées par la matière tombée dans son horizon.
Because of conservation of angular momentum, particles there don’t just plummet straight into the black hole. Instead, they slowly spiral. Due to the intense gravitational field of the black hole, these particles convert their potential energy to kinetic energy as they inch closer to the event horizon. Particle interactions allow for this kinetic energy to be radiated out into space at an astonishing matter-to-energy efficiency: 6% for non-rotating black holes, and up to 32% for rotating ones. This drastically outshines nuclear fission, currently the most efficient widely available mechanism to extract energy from mass. Fission converts just 0.08% of a Uranium atom into energy.
En raison de la conservation du moment angulaire, les particules qui s'y trouvent ne tombent pas directement dans le trou noir. Au lieu de cela, elles forment une lente spirale. En raison de l'intensité du champ gravitationnel du trou noir, ces particules convertissent leur énergie potentielle en énergie cinétique à mesure qu'elles se rapprochent de l'horizon des événements. Les interactions des particules permettent à cette énergie cinétique de se diffuser dans l'espace avec une efficacité incroyable du rapport matière-énergie : 6 % pour les trous noirs non rotatifs et jusqu'à 32% pour les rotatifs. Ce phénomène dépasse de loin la fission nucléaire, actuellement le moyen le plus efficace à notre disposition pour extraire l'énergie de la matière. La fission ne convertit que 0,08 % d'un atome d'uranium en énergie.
The key to harnessing this power may lie in a structure devised by physicist Freeman Dyson, known as the Dyson sphere. In the 1960s, Dyson proposed that an advanced planetary civilization could engineer an artificial sphere around their main star, capturing all of its radiated energy to satisfy their needs. A similar, though vastly more complicated design could theoretically be applied to black holes. In order to produce energy, black holes need to be continuously fed— so we wouldn’t want to fully cover it with a sphere. Even if we did, the plasma jets that shoot from the poles of many supermassive black holes would blow any structure in their way to smithereens.
La clé pour exploiter cette énergie pourrait se trouver dans une structure conçue par le physicien Freeman Dyson, connue sous le nom de sphère de Dyson. Dans les années 60, Dyson a envisagé qu'une civilisation planétaire avancée puisse concevoir une sphère artificielle autour de son étoile principale, afin de capter toute son énergie rayonnée pour satisfaire ses besoins. Une méthode similaire, bien que beaucoup plus complexe, pourrait théoriquement être appliquée aux trous noirs. Pour produire de l'énergie, un trou noir doit être alimenté en continu – ce ne serait pas souhaitable de le couvrir entièrement avec une sphère. Si nous le faisions, les jets de plasma qui jailliraient des pôles de nombreux trous noirs supermassifs feraient exploser les structures qui se trouvent sur leur chemin.
So instead, we might design a sort of Dyson ring, made of massive, remotely controlled collectors. They’d swarm in an orbit around a black hole, perhaps on the plane of its accretion disk, but farther out. These devices could use mirror-like panels to transmit the collected energy to a powerplant, or a battery for storage. We’d need to ensure that these collectors are built at just the right radius: too close and they’d melt from the radiated energy. Too far, and they’d only collect a tiny fraction of the available energy and might be disrupted by stars orbiting the black hole. We would likely need several Earths worth of highly reflective material like hematite to construct the full system— plus a few more dismantled planets to make a legion of construction robots. Once built, the Dyson ring would be a technological masterpiece, powering a civilization spread across every arm of a galaxy.
À la place, on pourrait donc créer une sorte d'anneau de Dyson, composé d'énormes collecteurs contrôlés à distance. Ils encercleraient en orbite le trou noir, probablement sur le plan du disque d'accrétion, mais plus éloignés. Ces dispositifs utiliseraient des panneaux réfléchissants pour transmettre l'énergie collectée à une centrale électrique ou à une batterie pour le stockage. Il faudrait s'assurer que ces collecteurs soient installés dans le bon rayon : trop proches, ils fondraient sous l'effet de l'énergie dégagée. Trop éloignés, ils ne capteraient qu'une infime partie de l'énergie disponible et pourraient être gênés par les étoiles en orbite autour du trou noir. Nous aurions besoin de plusieurs Terres pour obtenir les matériaux réfléchissants, comme l'hématite, pour construire le système complet – plus quelques planètes démantelées pour créer une légion de robots constructeurs. Une fois construit, l'anneau de Dyson serait un chef-d'œuvre technologique, alimentant une civilisation répartie dans tous les recoins de la galaxie.
This all may seem like wild speculation. But even now, in our current energy crisis, we’re confronted by the limited resources of our planet. New ways of sustainable energy production will always be needed, especially as humanity works towards the survival and technological progress of our species. Perhaps there’s already a civilization out there that has conquered these astronomical giants. We may even be able to tell by seeing the light from their black hole periodically dim as pieces of the Dyson ring pass between us and them. Or maybe these superstructures are fated to remain in the realm of theory. Only time— and our scientific ingenuity— will tell.
Tout cela peut sembler être une pure spéculation. Mais même aujourd'hui, avec la crise énergétique actuelle, nous sommes confrontés aux ressources limitées de notre planète. De nouveaux moyens de production d'énergie durable seront toujours nécessaires, d'autant plus que l'humanité œuvre pour la survie et le progrès technologique de notre espèce. Peut-être existe-t-il déjà une civilisation qui a conquis ces géants astronomiques. Nous pourrions même le savoir en observant la lumière de leur trou noir s'affaiblir régulièrement lorsque des morceaux de l'anneau de Dyson passent entre nous et eux. Ou peut-être que ces superstructures sont condamnées à rester dans la théorie. Seul le temps, et notre ingéniosité scientifique, nous le diront.