Wir sollten nach kleinen, heißen Dyson-Kugeln suchen, argumentiert ein neues Papier

Im Jahr 1960 veröffentlichte der legendäre Physiker Freeman Dyson seine bahnbrechende Arbeit „Suche nach künstlichen stellaren Quellen für Infrarotstrahlung“, in der er vorschlug, dass es außerirdische Zivilisationen geben könnte, die so weit fortgeschritten sind, dass sie Megastrukturen bauen könnten, die groß genug sind, um ihren Mutterstern einzuschließen.

Er wies auch darauf hin, dass diese „Dyson-Kugeln“, wie sie genannt wurden, anhand der „Abwärme“, die sie bei Wellenlängen im mittleren Infrarot aussendeten, erkannt werden könnten. Bis heute gelten Infrarotsignaturen als brauchbare Technosignatur bei der Suche nach außerirdischer Intelligenz (SETI).

Bisher sind die Bemühungen, Dyson-Kugeln (und Variationen davon) anhand ihrer „Abwärme“-Signaturen zu erkennen, erfolglos geblieben, was einige Wissenschaftler dazu veranlasst hat, eine Optimierung der Suchparameter zu empfehlen. In einem neues Papier auf dem Preprint-Server veröffentlicht arXiv, Astronomie und Astrophysik Professor Jason T. Wright vom Center for Exoplanets and Habitable Worlds und dem Penn State Extraterrestrial Intelligence Center (PSTI) empfiehlt SETI-Forschern, die Suche zu verfeinern, indem sie nach Hinweisen auf Aktivität suchen. Mit anderen Worten empfiehlt er, nach Dyson-Kugeln auf der Grundlage ihrer möglichen Verwendungszwecke zu suchen und nicht nur nach Wärmesignaturen.

Der Schlüssel zu Wrights Studie ist das Landsberg-Limit, ein Konzept der Thermodynamik, das die theoretische Effizienzgrenze für die Gewinnung von Sonnenstrahlung darstellt. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da Dysons ursprünglicher Vorschlag größtenteils auf der Idee basierte, dass alles Leben freie Energiegradienten nutzt, wie etwa photosynthetische Lebensformen, die darauf angewiesen sind, Sauerstoffgas und organische Nährstoffe zu produzieren. Er argumentierte weiter, dass technologisch fortgeschrittenes Leben wachsen könnte, um größere Mengen dieser Energie zu nutzen. Diese Fähigkeit hat jedoch eine absolute Grenze: die Gesamtenergie, die ein Stern freisetzt (sichtbares Licht, Infrarot, Ultraviolett usw.).

Da Energie gespart werden muss, argumentierte Freeman Dyson, dass ein Teil dieser Energie als Abwärme aus der Dyson-Struktur abgeführt werden muss. Durch die Nutzung der Fortschritte in der Infrarotastronomie, einem zu Dysons Zeiten aufkeimenden Gebiet, könnten Astronomen theoretisch den Energieverbrauch einer fortgeschrittenen Zivilisation messen, indem sie nach dieser Wärme suchen. Bisher wurden nur drei Studien zum gesamten Himmel im mittleren Infrarot durchgeführt, darunter der Infrarot-Astronomische Satellit (IRAS), der Weitfeld-Infrarot-Vermessungs-Explorer (WISE) und AKARI.

„Traditionell suchen wir nach Infrarotemissionen von Sternen, um zu sehen, ob sie Orbitalmaterial haben, das vom Sternenlicht warm ist“, sagte Wright per E-Mail gegenüber Universe Today. „Wenn es sich nicht um die Art von Stern handelt, die normalerweise von Material umkreist wird, können wir genauer hinsehen, um zu sehen, ob das Material wie Staub oder etwas anderes aussieht.“ Alle bisherigen Suchversuche wurden jedoch dadurch etwas erschwert, dass es keine zugrunde liegende Theorie darüber gibt, wie die Abwärme aussehen würde, da die Eigenschaften der Materialien einer Dyson-Kugel unbekannt sind.

Von Astrophysikern (einschließlich Wright selbst) wurden mehrere theoretische Modelle dafür vorgeschlagen, wie ihre thermischen Signaturen aussehen könnten, aber diese waren eher einfach und basierten auf zahlreichen Annahmen. Dazu gehören die sphärische Symmetrie der Hülle und ihre Umlaufbahnentfernung vom Stern, ohne dass typische Temperaturen, Strahlungswechselwirkungen oder optische Tiefen des Materials vorhergesagt werden können. Dies wirft ein weiteres wichtiges Konzept auf, das Wright in Betracht gezogen hat und das mit dem Zweck der Dyson-Struktur zu tun hat (welche „Arbeit“ leistet sie?), aus dem Rückschlüsse auf ihre Materialeigenschaften gezogen werden können.

Dyson räumte ein, dass das Einfangen der Energie eines Sterns lediglich eine mögliche Motivation für den Bau einer solchen Megastruktur sei. Beispielsweise haben mehrere SETI-Forscher vorgeschlagen, dass eine Dyson-Struktur als Sternmotor verwendet werden könnte, der Sterne bewegen könnte (ein Shkadov-Triebwerk) oder als riesiger Supercomputer (ein Matrioshka-Gehirn). Wie sein Namensgeber hat ein Matrioshka-Gehirn eine verschachtelte Struktur, bei der die innere Schicht direktes Sonnenlicht absorbiert und die äußeren Schichten die Abwärme der inneren Schicht nutzen, um die Recheneffizienz zu optimieren.

Darüber hinaus befasste sich Wright mit den technischen Herausforderungen beim Bau einer solchen Struktur. Während sich Dyson auf die Gesetze der Physik als alleinige Grundlage für die Existenz von Megastrukturen konzentrierte, berücksichtigte Wright auch die technischen praktischen Aspekte. Daraus schloss er, dass die Zivilisation möglicherweise motiviert sein könnte, nach und nach Abschnitte einer Kugel zu bauen, um deren bewohnbares Volumen um einen Stern herum schrittweise zu vergrößern. Vor diesem Hintergrund wandte Wright die Thermodynamik der Strahlung auf Dyson-Kugeln als Rechenmaschinen an und ermittelte die beobachtbaren Konsequenzen.

Er kam zu dem Schluss, dass die Schaffung von Nistschalen kaum oder gar keinen Vorteil bietet und dass die optimale Nutzung der Masse kleinere, heißere Dyson-Kugeln begünstigen würde. Darüber hinaus wies er darauf hin, dass es beobachtbare Unterschiede zwischen „vollständigen“ Dyson-Kugeln (die vollständig um einen Stern herum angeordnet sind) und denen, die sich noch in der Entwicklung befinden, geben würde. Wie Wright erklärte:

„Im Gegensatz zu den Erwartungen einiger Autoren, dass Dyson-Kugeln extrem groß und kalt sein müssten, um ihre Effizienz zu maximieren, finde ich, dass für ein festes Massenbudget die optimale Konfiguration tatsächlich für sehr kleine, heiße Kugeln gilt, die das meiste, aber nicht alles einfangen.“ Licht, das entweicht. [W]„Wir könnten unsere Suchparameter auf Temperaturen deutlich über 300 K (etwas heißer als auf der Erde) erweitern, weil die Extraktion von Sternenlicht in der Nähe des Sterns, wo es heißer ist, effizienter ist.“

Diese Erkenntnisse könnten bei zukünftigen Suchen nach Dyson-Strukturen hilfreich sein, die derzeit leider nur begrenzt verfügbar sind. Eine bemerkenswerte Ausnahme ist die Arbeit des Astrophysikers Ph.D. Student Mathias Suazo (Universität Upsalla) und seine Kollegen vom Projekt Hephaistos. Suazo präsentierte ihre Arbeit bereits im Juni im Rahmen des 2. jährlichen SETI-Symposiums in Penn State, wo er erklärte, wie die Projektwissenschaftler Daten vom Gaia-Observatorium der ESA, dem Two Micron All Sky Survey (2MASS) und dem Wide-Field-Infrarot Survey Explorer der NASA kombinierten (WISE), um die Suche nach thermischen Signaturen einzugrenzen, die auf das Vorhandensein von Megastrukturen hinweisen könnten.

Die kombinierten Daten enthüllten etwa 5 Millionen mögliche Kandidaten innerhalb eines Volumens mit einem Durchmesser von etwa 1.000 Lichtjahren. Nachdem Suazo und sein Team ein „Best-Fit“-Modell basierend auf Temperatur- und Helligkeitsprofilen erstellt hatten, das mögliche natürliche Quellen eliminierte, wählten sie 20 geeignete Kandidaten aus der Liste aus. Diese Quellen werden wahrscheinlich in naher Zukunft Gegenstand weiterer Beobachtungen durch Teleskope der nächsten Generation sein. Unterdessen geht die Suche weiter, und auch wenn bisher keine eindeutigen Beweise für Megastrukturen erbracht wurden, bleibt die Möglichkeit bestehen.

Wie Dyson bekanntlich sagte, als er die möglichen Beweggründe für eine solche Technik ansprach. „Meine Regel lautet: Es gibt nichts, was so groß oder so verrückt ist, dass sich nicht eine von einer Million technologischen Gesellschaften dazu getrieben fühlen könnte, vorausgesetzt, es ist physisch möglich.“ Wenn sich in unserer Galaxie nur eine Handvoll fortgeschrittener Zivilisationen zu Mega-Ingenieurprojekten verpflichtet haben, werden wir sie früher oder später aufspüren.