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?
Уявіть, що в далекому майбутньому людство вийде за межі нашої блакитної цяточки, заснує нові міста на планетах за тисячі світлових років від нашої домівки і налагодить систему міжпланетної торгівлі та транспорту. Але як наша цивілізація може здійснити такий технологічний стрибок? Маємо обміркувати купу речей: Якими будуть наші засоби зв'язку? Якою буде форма галактичного правління. І найголовніше: де ми візьмемо джерело енергії, достатньої для потреб цієї цивілізації:
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.
для промисловості, тераформування та космічних перевезень. Астроном Микола Кардашов запропонував шкалу, що визначає, як зростатимуть потреби еволюціонуючої цивілізації в енергії. На першому етапі розвитку, власне, теперішньому, планетарних енергетичних ресурсів, наприклад, горючого палива, сонячних панелей та атомних електростанцій, ймовірно, буде достатньо для космічних завоювань в середині Сонячної системи, але точно не поза нею. Для цивілізації третього й останнього етапу галактична експансія потребуватиме десь в сто мільярдів разів більше енергії, ніж повних 385 йотаджоулів, які наше Сонце вивільняє щосекундно. Якщо не брати до уваги досягнень екзотичної фізики, існує лише одне джерело енергії, якого буде достатньо, —
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.
надмасивна чорна діра. Доволі незвично думати про чорну діру як про потенційне джерело енергії, проте ним вона і є, через акреційні диски —
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.
круглі, плоскі утворення, сформовані матерією, що потрапляє в горизонт подій. Внаслідок збереження моменту імпульсу частинки не просто провалюються безпосередньо в чорну діру, а натомість повільно та спірально рухаються вниз. Через сильне гравітаційне поле чорної діри ці частинки перетворюють свою потенціальну енергію в кінетичну, повільно наближаючись до горизонту подій. Завдяки взаємодії між частинками кінетична енергія вивільняється в космос з вражаючим, як для енергії, отриманої з матерії, ККД: 6% — для необертових чорних дір і до 32% для обертових. Це в рази перевищує енергоефективність від поділу ядер урану, що наразі вважається найефективнішим та найрозповсюдженішим способом отримання енергії з маси тіла.
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.
Ядерний поділ перетворює лише 0,08% маси атому урану в енергію. Способом приборкати чорну діру може стати споруда, запропонована фізиком Фріменом Дайсоном, — сфера Дайсона. У 1960–х роках Дайсон припустив, що прогресивна планетарна цивілізація могла б створити штучну оболонку, яка покрила б їхню головну зірку та збирала б усю випромінювану нею енергію для вдоволення своїх потреб. Схожим чином, хоч і з набагато складнішою конструкцією, цю ідею можна застосувати й до чорних дір. Щоб виробляти енергію, чорній дірі потрібно постійно "їсти", а тому повністю покривати її оболонкою — не варіант. Навіть якби ми зробили це, потоки плазми, що вириваються з полюсів багатьох надмасивних чорних дір
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.
перетворили б на пил усе, що перебувало б на їхньому шляху. Тому натомість ми могли б спроєктувати таке собі кільце Дайсона, зроблене з величезних енергоприймачів дистанційного керування. Їх розмістять у великій кількості по всій орбіті чорної діри або, ймовірно, на поверхні її акреційного диска, але загалом на певній відстані. Такі пристрої використовували б дзеркальні панелі, щоб передавати зібрану енергію до енергоустановки чи акумуляторів для подальшого накопичення. Важливо розмістити ці приймачі на потрібній відстані: поставимо занадто близько — випромінювана енергія розплавить їх, а занадто далеко — зберуть лише дріб'язок з усієї доступної енергії та можуть бути зруйновані зірками, що знаходяться на орбіті діри. Знадобиться обсяг надр кількох планет як Земля для отримання матеріалу з високою відбивною здатністю, на кшталт гематиту, щоб повністю збудувати споруду, а також ще більше спустошених планет, щоб сконструювати легіон роботів-будівників. Якщо кільце Дайсона колись збудують, це стане технологічним шедевром, з яким ця цивілізація поширюватиме свій вплив на кожнісінький рукав галактики.
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.
Хоч усе це може здатися лише неприборканою фантазією, навіть зараз, у час енергокризи, ми як ніколи раніше відчуваємо потребу в додаткових енергоресурсах. Нові способи отримання невичерпної енергії завжди будуть потрібними, особливо, коли людство прагне зберегти життєздатність та технологічно розвивати свій вид. Можливо, десь там уже існує цивілізація, що підкорила собі цих астрономічних гігантів. Ми могли б навіть сказати, що світло від чорної діри, яке періодично тьмяніє, — це частина кільця Дайсона, що проходить між нами й ними. А може, ці суперспоруди приречені існувати лише в нашій уяві? Тільки час, і наша наукова винахідливість, покажуть.