CAF-Elhuyar 2019 : À la recherche des cadrans de Dyson

Iñigo González de Arrieta Martínez

Fisika Aplikatuan doktoregaia

EHU

Iker González Cubiella

Fisikako ikaslea

EHU

Sommes-nous seuls dans l'univers ? C'est probablement l'une des plus grandes préoccupations de l'humanité au cours des siècles. En fait, cette question a une importance philosophique et scientifique énorme, et les progrès technologiques qui ont posé cette question sont également spectaculaires. Depuis les années 1970, le projet américain SETI a sans succès cherché des communications intergalactiques. D'autres questions se posent alors: nous cherchons bien? Savons-nous ce que nous recherchons ? Que cherchons-nous ?

On sait que compte tenu de l'infinité de l'univers, au moins la probabilité qu'il y ait la vie sur une planète est très élevée. L'astronome Frank Drake a mis cette réflexion en équation, dans laquelle on peut estimer la probabilité de vie extraterrestre à partir de sept paramètres: taux de génération d'étoiles, fraction d'étoiles avec planète, probabilité de génération de vie, etc. Cette équation, connue sous le nom d'équation de Drake, est devenue un concept influent dans le domaine de l'astrobiologie et problématique 1.

Cependant, cette certitude probabiliste contraste avec le manque de preuves de la vie extraterrestre. Cette contradiction est connue sous le nom de paradoxe de Fermi et a plusieurs solutions. Deux courants de pensée se distinguent : certains disent que la probabilité estimée d'une vie intelligente est exagérée et d'autres affirment que trouver cette vie est une question de temps et de technologie. Actuellement, l'une des hypothèses les plus acceptées est celle proposée par Haq-Misra et Baume. Selon eux, l'épuisement des ressources naturelles marquerait des frontières dans le développement de la civilisation, ce qui entraverait leur détection.

Cependant, si nous acceptons l'existence de civilisations développées, comment pouvons-nous les trouver ? Comment savoir si nous allons dans la bonne direction?

Recherche de signaux

Figure . Radiotélescope Arecibo. Ed. NAIC

En 1959, Cocconi et Morrison publièrent dans la revue Nature un article dans lequel il était indiqué que le moyen intergalactique le plus probable pourrait être autour de la fréquence d'émission naturelle de l'hydrogène neutro3. Cette radiofréquence, appelée ligne de 21 centimètres par sa longueur d'onde, a une grande importance en astronomie pour l'abondance d'hydrogène existant dans l'univers. Les instruments capables de détecter cette fréquence permettent d'élaborer une carte d'hydrogène de l'univers (et donc de masse). Selon les auteurs, si une civilisation est capable d'explorer le cosmos, elle aura des outils pour travailler à cette fréquence. Il est évident, malheureusement, que nous n'avons encore rien trouvé, même si nous avons inventé de plus en plus grands radiotélescopes (par exemple, le télescope Arecibo de Porto Rico, à la figure 1). Peut-être s'il existait une civilisation pleinement développée, la question la plus appropriée serait: Que faut-il chercher ?

Figure . Un des modèles possibles de la sphère de Dyson, formé par une surface compacte. Ed. Lucien leGrey / CC-BY-SA

Pour répondre à la question que nous venons de citer, nous devons d'abord établir un critère sur le degré de développement technologique d'une civilisation, dans lequel l'échelle de Kardasheven a été proposée en 1964. Sur cette échelle se distinguent trois types de civilisations, I, II et III, en fonction de leur capacité énergétique. Plus sa capacité énergétique est élevée, plus la colonisation de l'espace est grande. En général, la civilisation type I a réussi à maîtriser les ressources de sa planète ; la classe II, de son système solaire, et la classe III, de la galaxie entière. Bien que les civilisations du type III semblent de science-fiction, il n'y a aucune raison physique qui empêche de maîtriser les ressources de tout le système solaire, par exemple en profitant de l'exploitation minière interplanétaire ou en profitant de toute l'énergie solaire.

Figure . Une autre proposition des sphères de Dyson, entourée de nombreux satellites qui orbitent l'étoile. Ed. Vedexent/CC-BY-SA

Une façon de profiter de toute l'énergie d'une étoile est de la couvrir avec les radiations solaires collecteurs. Cette méthode est connue comme sphère de Dyson et a été proposée par le physicien Freeman Dyson. Il existe plusieurs propositions pour réaliser ce type de système, comme par exemple celles des figures 2 et 3.

La première conception est une surface compacte (Figure 2). C'était la conception originale proposée par Dyson: un écosystème de surface, plein de vie, de deux ou trois mètres d'épaisseur. Dyson a estimé que toute la masse de Jupiter devrait être utilisée pour réaliser ce type de méga structure, de sorte que cette proposition n'est pas entièrement acceptée. Les propositions les plus acceptées aujourd'hui sont les sphères les plus partielles (comme celle de la Figure 3): c'est un système coordonné de satellites dans lequel chaque capteur de rayonnement orbite l'étoile sans dépendance. Ce type de sphères n'absorbe pas d'autres radiations compactes, mais peut être fait beaucoup plus facilement et avec moins de ressources. La forme de la sphère est importante, car chaque type sera différent. Mais comment seront ces sphères ?

Comment trouver les sphères de Dyson ?

Bien que la théorie semble visionnaire, l'hypothèse de la sphère de Dyson est plus fréquente qu'elle ne semble parmi les astrophysiques. La raison principale est qu'il peut prédire des paramètres physiques bien définis et qu'ils peuvent être recherchés dans un état systématique. En outre, cette hypothèse a un autre avantage par rapport au projet SETI: il ne dit pas que les extraterrestres ont l'intention de communiquer.

Alors, quelles sont les caractéristiques à rechercher? Tout d'abord, une sphère de Dyson ne détruirait pas l'effet gravitationnel de l'étoile qu'elle contient, et continuerait à exercer une influence gravitationnelle sur les masses qui l'entourent. D'autre part, elle couvrirait le rayonnement visible de l'étoile, devenant un corps massif et presque invisible. Les sphères compactes ou composites auraient une force de couverture différente de l'étoile, de sorte que le type de sphère serait clairement visible. Enfin, et peut-être la caractéristique la plus importante, il renverserait l'énergie reçue de l'étoile sur le tronçon de l'infrarouge. En fait, la température de la sphère sera beaucoup plus faible que celle de l'étoile (c'est-à-dire, comme la température de la Terre) et les corps froids émettent un rayonnement infrarouge, pas de lumière visible.

Figure . (A) Une planète couvre peu la lumière de son étoile. (B) La sphère de Dyson couvre la lumière visible de l'étoile mais émet la lumière infrarouge. Ed. Iñigo González de Arrieta e Iker González.

Cette dernière propriété est le moyen le plus simple de rechercher les sphères de Dyson, car il est facile à mesurer et dans l'univers il n'y a pas beaucoup de sources massives avec cette température (la plupart sont plus chaudes et plus froides). Dyson a indiqué que la recherche devait se diriger vers des étoiles binaires, mais avec des jumeaux invisibles. La preuve la plus cohérente pour vérifier l'hypothèse serait que les jumeaux émettent un rayonnement infrarouge.

De nombreuses recherches de sphères de Dyson ont été effectuées en utilisant les données des télescopes fonctionnant à infrarouges (principalement de la base de données IRAS)6. Les premières recherches ont trouvé plusieurs candidats, mais les examens affirment que la plupart étaient faux positifs et il ya seulement quelques candidats réels. Cependant, il faut garder à l'esprit que la plupart des recherches ont vérifié seulement une petite partie du ciel et que les chercheurs n'ont pas encore perdu espoir.

Et si nous l'avons déjà trouvé ?

La coopération internationale Planet Hunters, basée sur l'analyse des données astronomiques de la population, a dévoilé en 2015 une étoile peu claire : KIC 8462852 étoile7. Les données de luminosité de cette étoile, obtenues par le télescope Kepler, montraient l'existence d'un objet massif couvrant la lumière de l'étoile.

Figure . Fluctuations lumineuses irrégulières de l'étoile de Tabby. Ed. Iñigo González de Arrieta e Iker González (Source: Données publiques du télescope Kepler).

Pour l’instant, il n’est pas possible d’expliquer ce phénomène, mais l’étoile a acquis une immense renommée, tant chez les experts que sur Internet (connu comme Tabby’s star en l’honneur de la personne qui l’a rencontré). Quelques théories ont été proposées pour expliquer ce phénomène, mais personne n'a encore réussi à l'expliquer complètement. Ainsi, l'hypothèse de la sphère de Dyson émerge. Cependant, les dernières observations faites sur l'infrarouge ne présentent toujours aucune source de rayonnement à proximité de l'étoile8.

Indépendamment du résultat final de ses recherches sur le KIC 8462852, l'hypothèse de la sphère de Dyson mérite une place dans l'histoire de l'astronomie, grâce à ce mélange de fantaisie et de données empiriques, par son influence sur l'imagination des scientifiques. Sûrement la société ne cessera jamais de chercher cette méga structure extraterrestre.

Références

[1] M.A. Burchell, W(h)ither the Drake equation?, International Journal of Astrobiology 5 (2006) 243-250.

[2] J. Haq-Misra et S. Baum, The Sustainability Solution to the Fermi Paradox, Journal of the British Interplanetary Society 62 (2009) 47-51.

[3] G. Cocconi et P. Morrison, Searching for Interstellar Communications, Nature 184 (1959) 844–846.

[4] N. Kardashev, Transmission of Information by Extraterrestriction al Civilizations, Soviet Astronomy 8 (1964) 217.

[5] F.J. Dyson, Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation, Science 131 (1960) 1667-1668.

[6] R.A. Carrigan, Iras-based whole-sky upper limit on Dyson spheres, Astrophysical Journal, 698 (2009), 2075-2086.

[7] T. S. Boyajian, et al., Planet Hunters IX. KIC 8462852 – where’s the flux?, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 457 (2016) 3988–4004.

[8] M. Marengo, et al., KIC 8462852: The Infrared Flux, The Astrophysical Journal Letters 814 (2015) L15.

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