Surpreendentemente, algumas esferas Dyson e Ringworlds podem ser estáveis

No reino da ficção científica, as esferas e os ringworlds de Dyson são básicos há décadas. Mas é sabido que os designs mais simples são instáveis ​​contra forças gravitacionais e, portanto, seriam destruídos. Agora, um cientista da Escócia, no Reino Unido, mostrou que certas configurações desses objetos próximas a um sistema de dois massa podem ser estáveis ​​contra essas fraturas. O trabalho é publicado no diário Avisos mensais da Royal Astronomical Society.

“Eu li ‘Ringworld’ e ‘Ringworld Engineers’ como estudante, por isso sou fascinado há muito tempo pela engenharia em escalas astronômicas”, disse Colin McInnes, da série de romances de ficção científica de Larry Niven Ringworld. McInnes é professor de ciências de engenharia e detentor da cadeira de James Watt na Universidade de Glasgow, na Escócia.

O físico Freeman Dyson propôs pela primeira vez o que passou a ser conhecido como uma esfera de Dyson em um Artigo de 1960 em Ciência. É uma estrutura de concha que cercava completamente uma estrela, construída a partir de materials planetário dissimvido em um sistema photo voltaic, exigindo muita energia. (A empresa Starship encontrou uma esfera de Dyson na sexta temporada de “Star Trek: The Subsequent Technology”.) O objetivo é capturar toda a energia da estrela para uso por uma civilização avançada.

Dyson calculou que essa concha esférica poderia ser construída com todo o materials no sistema photo voltaic – essencialmente o massa de Júpiter – a duas vezes a distância da terra do sol. Dependendo de sua densidade, a concha teria alguns metros de espessura.

Dyson acreditava que “… Exceto acidentes, as pressões malthusianas acabarão impulsionando uma espécie inteligente a adotar uma exploração eficiente de seus recursos disponíveis”. Essa concha no cosmos seria um objeto visivelmente escuro para nós; Mas aqueceria e emitia a radiação infravermelha no espaço.

Mas uma esfera de Dyson sólida em torno de uma única estrela seria, embora rígida, fosse instável contra forças gravitacionais e se separar. Objetos dentro da concha não sentiriam a força gravitacional líquida da concha – um resultado conhecido como teorema da concha de Newton – e para que a estrela flutuasse sob qualquer leve perturbação na massa da concha, qualquer desvio da simetria esférica perfeita.

A concha sentiria forças gravitacionais assimétricas da estrela à deriva e experimentariam forças de estresse que poderiam quebrá -la. Massas próximas à concha, mas fora, também criaria forças diferentes na concha. Como conseqüência, escritores de ficção científica e astrofísicos consideraram peças parciais de concha ou uma colcha de retalhos em torno de uma estrela como uma esfera realista de Dyson.

Da mesma forma, um anel rígido em torno de uma estrela ou planeta, como na série de romances “Ringworld” de Larry Niven, também é instável, pois flutuaria sob quaisquer leves diferenças gravitacionais e colidiria com a estrela. Assim, McInnes considerou um problema restrito de três corpos, em que duas massas iguais se orbitam circularmente com um anel uniforme de massa infinitesimal girando em seu plano orbital. O anel pode incluir as duas massas, apenas uma ou nenhuma.

Ao contrário do problema completo de três corpos, que não tem solução analítica, “é um problema interessante da dinâmica orbital em si”, disse McInnes. “Compreender a estabilidade de tais estruturas se conecta ao Seti (pesquisa de inteligência extraterrestre)”. McInnes também investigou um problema com três corpos restritos à concha com a concha também de massa infinitesimal, novamente com a concha que envolve duas massas, uma ou nenhuma.

Para o anel restrito, McInnes descobriu que existem sete pontos de equilíbrio no plano orbital das massas duplas, nas quais, se o centro do anel fosse colocado, permaneceria e não sofreria tensões, semelhantes aos três pontos estáveis ​​de Lagrange, onde uma pequena massa pode residir permanentemente para o problema de dois corpos. (Por exemplo, o telescópio espacial de James Webb reside em um ponto de lagrange em orbita photo voltaic 1,5 mmkm passando pela Terra na linha da Terra-Sol.) O centro do anel precisaria evitar deitar em dois círculos que McInnes chama “Conjuntos de colisão”, onde-se colocado em qualquer ponto lá-seria em contato com uma das duas massas.

Dos pontos de equilíbrio em que o centro do anel poderia estar, um tem o anel que envolve as duas massas, dois dos pontos envolvem uma massa e quatro envolvem nenhuma das massas. Dos quatro envolvendo anéis, dois estão em uma linha que conecta os centros de massa e dois (“pontos triangulares”) residem em uma linha ortogonal a essa linha que passa pelo centro entre eles; Sua localização precisa depende do raio do anel. Assim, cinco equilíbrios estão na linha que liga as massas e dois perpendiculares a essa linha.

McInnes restringiu essa pesquisa a um anel planar (no plano das massas orbitadoras circularmente), mas diz que pode ser mostrado que um anel vertical, regular ao plano, também pode gerar equilíbrios. Por exemplo, um desses pontos é uma vertical anel com seu centro no ponto médio entre as duas massas.

Para uma esfera oca do tipo Dyson de massa infinitesimalmente pequena, o problema de três corpos restrito a casca revela equilíbrios semelhantes. Uma concha pode ser prevista como uma série conectada de anéis com o mesmo raio em torno do mesmo ponto, e o teorema da concha de Newton pode ser invocado para simplificar o problema – uma massa fora da concha age gravitacionalmente com a concha como se a massa da concha estivesse toda em seu centro. Para uma concha que envolve as duas massas, a concha não é influenciada pela massa, e o centro da concha pode ser colocado em qualquer ponto em que as duas massas sejam cercadas pela concha.

No entanto, essa é uma configuração instável de equilíbrio, uma vez que a concha não sente forças das massas e, portanto, é livre para deriva em relação às duas massas e acabará colidindo com elas.

Se o shell não coloca nenhuma massa, o teorema da concha de Newton implica que a concha pode ser considerada uma massa pontual em seu centro, e a situação se reduz ao problema clássico restrito de três corpos. McInnes descobre que existem sete pontos de equilíbrio em que a concha pode ser centrada, mas a única configuração posicionalmente estável é quando envolve a menor das massas de duas estrelas. (Se a concha inclui uma massa, não parece força gravitacional desse objeto, mas age como uma massa pontual para a outra; a massa dentro do concha orbitará em torno do centro da massa das duas estrelas.)

Aqui, os conjuntos de colisão são esferas, não anéis e indicam onde o centro de uma esfera não pode ser colocado sem contato com uma massa. A matemática de McInnes mostra que “uma esfera de Dyson pode, portanto, em princípio, estar em uma configuração de equilíbrio estável em um sistema binário se a massa secundária tiver um raio de ordem metade da da massa primária”, assumindo que as estrelas tenham a mesma densidade.

Esses resultados podem ajudar a busca de inteligência extraterrestre, McInnes disse: “Se pudermos entender quando essas estruturas podem ser estáveis, isso pode ajudar a direcionar futuras pesquisas SETI”.

Uma tecnologia importante seria uma estrela brilhante que orbita em conjunto com um objeto mostrando um forte excesso de infravermelho. Cascas em torno de um par de exexopladoras solares ou um par de exoplanetas-exoxlaneções também podem ser possíveis. Um conjunto aninhado de esferas de Dyson também é uma geometria viável.

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