Dans le domaine de la science-fiction, Dyson Sphheres et Ringworlds sont des agrafes depuis des décennies. Mais il est bien connu que les conceptions les plus simples sont instables contre les forces gravitationnelles et seraient donc déchirées. Maintenant scientifique d'Écosse, le Royaume-Uni a montré que certaines configurations de ces objets près d'un système à deux masse peuvent être stables contre de telles fractures. L'œuvre est publiée dans la revue Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
« J'ai lu » Ringworld « et » Ringworld Engineers « en tant qu'étudiant, donc j'ai longtemps été fasciné par l'ingénierie à des échelles astronomiques », a déclaré Colin McInnes de la série Larry Niven Ringworld de romans de science-fiction dure. McInnes est professeur de sciences de l'ingénierie et détenteur de la présidente de James Watt à l'Université de Glasgow en Écosse.
Le physicien Freeman Dyson a d'abord proposé ce qui est devenu connu comme une sphère de Dyson dans un article de 1960 Science. Il s'agit d'une structure de coquille qui entourerait complètement une étoile, construite à partir de matériaux planétaires disséminés dans un système solaire tout en nécessitant beaucoup d'énergie. (L'entreprise Starship a rencontré une sphère de Dyson dans la sixième saison de « Star Trek: The Next Generation ».) Le but est de capturer toute l'énergie de la star pour une utilisation par une civilisation avancée.
Dyson a calculé qu'une telle coquille sphérique pourrait être construite avec tout le matériau du système solaire – essentiellement la masse de Jupiter – à deux fois la distance de la terre du soleil. Selon sa densité, la coquille aurait quelques mètres d'épaisseur.
Dyson pensait que « … à moins d'accidents, les pressions malthusiennes entraîneront finalement une espèce intelligente pour adopter une exploration aussi efficace de ses ressources disponibles ». Une telle coquille dans le cosmos serait un objet visiblement sombre pour nous; Mais il chaufferait et émettait un rayonnement infrarouge dans l'espace.
Mais une sphère de dyson solide autour d'une seule étoile serait, bien que rigide, instable contre les forces gravitationnelles et se séparerait. Les objets à l'intérieur de la coquille ne ressentiraient aucune force gravitationnelle nette de la coquille – un résultat connu sous le nom de théorème de la coquille de Newton – et donc l'étoile dériverait sous toute légère perturbation dans la masse de la coquille, toute déviation par rapport à la symétrie sphérique parfaite.
La coquille ressentirait alors des forces gravitationnelles asymétriques de l'étoile dérivante et expérimenterait des forces de stress qui pourraient bien le séparer. Des masses proches de la coquille, mais à l'extérieur, il créerait également des forces différentes sur la coquille. En conséquence, les écrivains de science-fiction et les astrophysiciens ont considéré des pièces de coquille partielle ou un patchwork entourant une étoile comme une sphère de dyson réaliste.
De même, un anneau rigide autour d'une étoile ou d'une planète, comme dans la série de romans « Ringworld » de Larry Niven, est également instable, car elle dériverait sous toutes les légères différences gravitationnelles et se heurterait à l'étoile. McInnes a donc considéré un problème à trois corps restreint où deux masses égales se sont orbites circulairement avec un anneau uniforme de masse infinitésimale tournant dans leur plan orbital. L'anneau pourrait enfermer les deux masses, juste une ou pas.
Contrairement au problème complet à trois corps, qui n'a pas de solution analytique, « c'est un problème intéressant de la dynamique orbitale en soi », a déclaré McInnes. « Comprendre la stabilité de ces structures se connecte à la recherche SETI (recherche d'intelligence extraterrestre). » McInnes a également étudié un problème à trois corps restreint en coquille avec la coquille également de masse infinitésimale, encore une fois avec la coquille enfermant deux masses, une ou aucune.
Pour l'anneau restreint, McInnes a constaté qu'il y avait sept points d'équilibre dans le plan orbital des doubles masses, sur lesquelles, si le centre de l'anneau était placé, il resterait et ne subirait pas de contraintes, semblable aux trois points de lagrange stables où une petite masse peut résider en permanence pour le problème à deux corps. (Par exemple, le télescope spatial James Webb réside dans un point solaire en orbite Lagrange 1,5 Mkm devant la Terre sur la ligne du soleil.) Le centre de l'anneau devrait éviter de se coucher sur deux cercles que McInnes appelle des « ensembles de collision », où – si placé sur n'importe quel point là-bas – serait en contact avec l'une des deux masses.
Parmi les points d'équilibre où le centre de l'anneau pourrait se situer, on a l'anneau qui enferme les deux masses, deux des points renforcent une masse et quatre n'entre aucune des masses. Sur les quatre anneaux qui nouent, deux se trouvent sur une ligne reliant les centres de masse et deux (« points triangulaires ») résident sur une ligne orthogonale à cette ligne qui passe par le centre entre elles; Leur emplacement précis dépend du rayon de l'anneau. Ainsi, cinq équilibres se trouvent sur la ligne reliant les masses et deux perpendiculaires à cette ligne.
McInnes a limité cette recherche à un anneau plan (dans le plan des masses en orbite circulaire), mais dit qu'il peut être montré qu'un anneau vertical, normal au plan, peut également générer des équilibres. Par exemple, un de ces points est un anneau vertical avec son centre au milieu entre les deux masses.
Pour une sphère creuse en forme de dyson de masse infiniment petite, le problème à trois corps restreint en coquille révèle des équilibres similaires. Une coquille peut être envisagée comme une série connectée d'anneaux avec le même rayon autour du même point, et le théorème de la coquille de Newton peut être invoqué pour simplifier le problème – une masse à l'extérieur de la coquille agit gravitationnellement avec la coquille comme si la masse de la coquille était toutes en son centre. Pour une coquille entourant les deux masses, la coquille n'est influencée par aucune masse, et le centre de la coquille peut être mis à tout moment où les deux masses sont toutes deux enfermées par la coquille.
Cependant, il s'agit d'une configuration d'équilibre instable, car la coquille ne ressent aucune forces des masses et est donc libre de dériver par rapport aux deux masses et finira par entrer en collision avec eux.
Si la coquille ne renferme aucune masse, le théorème de la coquille de Newton implique que la coquille peut être considérée comme une masse ponctuelle en son centre et que la situation se réduit au problème classique à trois corps restreint. McInnes constate qu'il y a sept points d'équilibre où la coquille peut être centrée, mais la seule configuration stable sur la position est lorsqu'il enferme le plus petit des deux masses d'étoiles. (Si la coquille enferme une masse, elle ne ressent aucune force gravitationnelle de cet objet, mais agit comme une masse ponctuelle vers l'autre; la masse à l'intérieur de la coquille orbitera autour du centre de masse des deux étoiles.)
Ici, les ensembles de collision sont des sphères, pas des anneaux, et indiquent où le centre d'une sphère ne peut pas être placé sans contact avec une masse. Les mathématiques de McInnes montrent que « une sphère de dyson peut donc en principe être dans une configuration d'équilibre stable dans un système binaire si la masse secondaire a un rayon d'ordre la moitié de la masse primaire », en supposant que les étoiles ont la même densité.
Ces résultats peuvent aider à la recherche d'intelligence extraterrestre, a déclaré McInnes: « Si nous pouvons comprendre quand de telles structures peuvent être stables, cela pourrait potentiellement aider à diriger de futures enquêtes SETI. »
Une technologie importante serait une étoile brillante en tandem avec un objet montrant un forte excès infrarouge. Des coquilles autour d'une paire de Sun-Exoplanet ou d'une paire Exoplanet-Exoplanet pourraient également être possibles. Un ensemble imbriqué de sphères de dyson est également une géométrie réalisable.
