Сверхэффективные компьютеры инопланетян выдадут себя сами: физики рассчитали уникальный тепловой сигнал развитых цивилизаций

В 1960 году физик Фримен Дайсон сформулировал фундаментальный принцип поиска развитых внеземных цивилизаций. Его логика опиралась на базовый закон физики: любое использование энергии неизбежно порождает тепло. Если гипотетическое сообщество перехватывает значительную часть мощности своей звезды, оно не может накапливать эту энергию бесконечно. Материалы разрушаются при относительно небольшом нагреве, а емкость любых внутренних накопителей конечна. Вся перехваченная энергия в итоге должна уйти в открытый космос в виде электромагнитного теплового сброса.

На основе этой идеи астрономы более полувека искали сферы Дайсона — крупные инженерные конструкции вокруг звезд. Однако практически все исследовательские программы несли в себе скрытое допущение: они рассчитывали найти излучение с температурой от ста до шестисот кельвинов (от минус ста семидесяти трех до плюс трехсот двадцати семи градусов Цельсия). Этот тепловой диапазон соответствует условиям планет земного типа и биологической жизни.

Именно на эти температуры были ориентированы космические телескопы инфракрасного диапазона IRAS и WISE, а также недавний масштабный проект Hephaistos, в рамках которого ученые проанализировали фотометрические данные пяти миллионов звезд. Итоги многолетних наблюдений оказались либо отрицательными, либо спорными. Практически все обнаруженные кандидаты при детальной проверке оказались далекими галактиками, скрытыми за плотными завесами космической пыли.

В исследовании астрофизика Майкла Гарретта из Манчестерского университета, принятом к публикации в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, дается строгое объяснение этой неудачи.

Поиски ориентировались на ошибочный температурный диапазон. Если цивилизация выходит за рамки биологических ограничений, ее главным потребителем энергии становится цифровая обработка информации. В этом случае фундаментальные законы физики требуют прямо противоположного инженерного решения: масштабные вычисления необходимо производить при минимально возможной температуре.

Это смещает фокус поисков из среднего инфракрасного спектра в субмиллиметровый — в область длин волн менее одного миллиметра, где температура излучающих поверхностей составляет всего от пяти до тридцати кельвинов выше абсолютного нуля.

Физическая цена информации: принцип Ландауэра

В основе любых вычислений лежит термодинамическое ограничение, доказанное физиком Рольфом Ландауэром в 1961 году. Работа с данными неизбежно подчиняется законам сохранения. Любая необратимая логическая операция, при которой информация стирается или перезаписывается (например, сброс бита оперативной памяти из единицы в ноль), увеличивает суммарную энтропию Вселенной и приводит к обязательному выделению порции тепла.

Минимальное количество энергии, которое требуется затратить на стирание одного бита данных, прямо пропорционально абсолютной температуре процессора. Математически эта величина равна произведению постоянной Больцмана, абсолютной температуры в кельвинах и натурального логарифма двух.

Из этой зависимости следует непреложный вывод: чем сильнее нагрета вычислительная система, тем больше энергии рассеивается впустую при совершении одной и той же операции.

При температуре в триста кельвинов (около двадцати семи градусов Цельсия) минимальные фундаментальные энергозатраты на стирание одного бита составляют около трех десятитысячных долей от одной миллиардной доли наноджоуля.

Если же охладить рабочую среду вычислительного комплекса до десяти кельвинов (минус двести шестьдесят три градуса Цельсия), фундаментальная цена выполнения той же самой операции снижается ровно в тридцать раз.

Для цивилизации, возможности которой ограничены мощностью доступных источников энергии, это фундаментальная разница. Тот же самый объем перехваченной энергии звезды позволяет выполнить в тридцать раз больше полезных вычислений просто за счет поддержания низкой температуры вычислительных контуров.

Возникает практический вопрос: почему бы не разместить суперкомпьютеры рядом со звездой, где плотность энергии максимальна, и не охлаждать их мощными холодильными машинами?

Ответ дает второй закон термодинамики в формулировке идеального холодильного цикла Карно. Количество механической или электрической работы, необходимой для переноса тепла от холодного тела к теплому окружающему пространству, определяется отношением разницы температур к температуре самого охлаждаемого объекта.

Если внешнее пространство нагрето излучением звезды, работа, затрачиваемая на принудительное охлаждение процессоров, стремительно нарастает по мере приближения их температуры к абсолютному нулю. При попытке достичь глубокого холода в относительно теплой среде затраты энергии на работу охлаждающих контуров начинают многократно превышать энергопотребление самих чипов.

Единственный способ обойти эти фундаментальные потери — переместить аппаратуру туда, где окружающая среда уже обладает низкой температурой естественным образом.

Преимущества открытого вакуума: бесплатный холод и сверхпроводимость

В глубинах планетных систем, вдали от центрального светила, космическое пространство лишено сильного нагрева. Предельным термодинамическим дном здесь выступает реликтовое микроволновое излучение — фоновое тепловое поле Вселенной, температура которого составляет две целых семьсот двадцать пять тысячных кельвина. Опуститься ниже этой планки без искусственного охлаждения невозможно, но приблизиться к ней вплотную можно исключительно за счет правильного выбора расстояния от звезды.

Удаление вычислительной инфраструктуры во внешние области звездных систем дает дополнительный физический эффект: пассивный переход материалов в состояние сверхпроводимости.

При обычных комнатных температурах движение электронов в металлах сопровождается сопротивлением. Энергия электрического тока частично преобразуется в паразитное тепло, а информационный сигнал затухает. Чтобы сопротивление упало до нуля, проводники требуется охлаждать ниже критической температуры фазового перехода:

• Оксидные высокотемпературные проводники переходят в сверхпроводящее состояние при температурах ниже девяноста трех кельвинов.
• Соединение магния и бора становится сверхпроводником при охлаждении ниже тридцати девяти кельвинов.
• Металлический ниобий полностью теряет электрическое сопротивление при температурах ниже девяти целых трех десятых кельвина.

В земных условиях для этого требуются тяжелые криогенные системы замкнутого цикла на жидком азоте или жидком гелии. На окраинах планетных систем космический холод обеспечивает эти условия естественным путем.

На удалении в десятки астрономических единиц металлы переходят через порог сверхпроводимости пассивно. В таких условиях полностью исчезает омический нагрев линий передач, сводятся к минимуму тепловые шумы в приемниках сигналов и создаются идеальные условия для долговременной квантовой когерентности в вычислительных регистрах.

Закон Стефана — Больцмана: почему холодные объекты огромны

Нередко предполагается, что низкотемпературные объекты в космосе слишком тусклы, чтобы их можно было зафиксировать с межзвездных расстояний. Это противоречит физике теплового излучения.

В условиях космического вакуума тепловая энергия может рассеиваться только посредством электромагнитных волн. Согласно закону Стефана — Больцмана, суммарная мощность излучения абсолютно черного тела строго пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры.

Если вычислительная система потребляет постоянную мощность, скажем, миллиард ватт, то все эти миллиард ватт должны излучаться наружу в единицу времени независимо от рабочей температуры, иначе конструкция расплавится. Но способность каждого квадратного метра поверхности сбрасывать тепло падает пропорционально температуре в четвертой степени. Следовательно, чтобы сбросить фиксированную тепловую мощность при более низкой температуре, требуется во столько же раз увеличить площадь излучающей поверхности.

Математический расчет демонстрирует масштабы этой зависимости:

Если снизить температуру излучателя с трехсот кельвинов (комнатная среда) до двенадцати кельвинов, температура уменьшится в двадцать пять раз.

Двадцать пять, возведенное в четвертую степень, дает число триста девяносто тысяч шестьсот двадцать пять.

Это означает, что для сброса одной и той же тепловой мощности при температуре двенадцать кельвинов потребуется радиатор, площадь поверхности которого почти в четыреста тысяч раз больше, чем площадь радиатора, работающего при трехстах кельвинах.

В абсолютных цифрах удельная площадь теплосброса меняется следующим образом:

• При температуре триста кельвинов для рассеяния одного ватта мощности требуется площадь излучателя около одной тысячной доли квадратного метра.
• При температуре тридцать кельвинов для сброса того же одного ватта требуется уже одиннадцать квадратных метров.
• При температуре двенадцать кельвинов для рассеяния одного ватта необходима площадь в четыреста двадцать пять квадратных метров.

Низкотемпературная вычислительная структура физически не может быть компактной. Она обязана обладать колоссальными геометрическими размерами. При этом ее суммарное тепловое излучение не становится слабее: оно в полном объеме переносится из инфракрасного спектра в область субмиллиметровых волн, распределяясь по миллионам квадратных километров тонких излучающих панелей. Это делает подобные структуры доступными для фиксации современными астрономическими методами.

Архитектура гало Слыша

Опираясь на приведенные расчеты, Майкл Гарретт описал теоретическую модель структуры, названной «гало Слыша». Термин введен в честь советского радиоастронома Вячеслава Слыша, сотрудника Института космических исследований АН СССР. Еще в 1985 году на конференции Международного астрономического союза в Бостоне Слыш доказал, что максимальная термодинамическая отдача мегаструктур требует их охлаждения почти до температуры реликтового излучения, и призвал искать внеземные цивилизации в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах.

Гало Слыша не является сплошной твердой оболочкой. Это обширный, разреженный рой автономных модулей, обращающихся вокруг звезды в той зоне, где естественная температура радиационного равновесия составляет от пяти до двадцати восьми кельвинов.

Такая архитектура определяется тремя главными физическими свойствами:

1. Равенство площадей приема и излучения

На удалении в сотни астрономических единиц от звезды плоская двусторонняя панель улавливает слабый оптический свет светила одной стороной, вырабатывая электроэнергию фотоэлементами, и одновременно сбрасывает отработанное тепло обеими своими плоскостями.

Физический расчет показывает, что при локальной температуре равновесия площадь, необходимая пластине для сбора достаточного количества звездной энергии, точно равна площади, которая требуется ей для сброса этой же энергии в виде тепла. Конструкция представляет собой ультратонкое единое полотно: одна его сторона служит солнечной батареей, а обе стороны одновременно работают радиаторами охлаждения.

2. Материалоемкость конструкции

Для минимизации массы модули должны создаваться на основе ультратонких пленок. При поверхностной плотности материала около пяти граммов на квадратный метр (толщина современных полимерных пленок с металлическим напылением, используемых в космических парусах) масса всей инфраструктуры оказывается умеренной даже по меркам Солнечной системы:

• Для создания системы мощностью двадцать триллионов ватт (что соответствует текущему уровню энергопотребления всего человечества), работающей при температуре двенадцать кельвинов, потребуется масса материала около сорока миллиардов тонн. Это составляет около двадцати процентов массы ледяного ядра кометы Галлея.
• Для постройки структуры мощностью семьдесят миллиардов миллиардов ватт (порог чувствительности современных телескопов на расстоянии тридцати световых лет от Земли) необходимо вещество массой около ста пятидесяти миллиардов миллиардов килограммов. Это составляет менее одной пятой массы карликовой планеты Церера.

Цивилизации нет необходимости разрушать крупные землеподобные планеты. Необходимый объем конструкционных материалов (углерод, кремний, алюминий, железо) в избытке содержится в поясах астероидов и кометных телах на дальних окраинах звездных систем.

3. Стабильность на орбите под давлением света

На легкие тонкопленочные конструкции действуют две противонаправленные силы: гравитация звезды притягивает их к центру, а радиационное давление звездных фотонов отталкивает наружу. Поскольку обе силы строго обратно пропорциональны квадрату расстояния, их баланс сохраняется неизменным на любой орбите.

Для мембран плотностью пять граммов на квадратный метр сила светового отталкивания составляет примерно пятнадцать процентов от силы гравитационного притяжения. Давление света лишь слегка ослабляет притяжение центральной звезды, делая ее гравитационно легче на пятнадцать процентов. Чтобы радиационное давление полностью выбросило конструкцию за пределы системы по незамкнутой траектории, плотность пленки должна быть ниже полутора граммов на квадратный метр. Пленки с плотностью пять граммов надежно удерживаются на замкнутых круговых и эллиптических орбитах без затрат топлива на коррекцию.

Преимущество красных карликов

Расстояние от звезды до зоны оптимального холода зависит от мощности ее излучения. Дистанция, на которой устанавливается необходимая температура, пропорциональна квадратному корню из светимости звезды.

Для звезд типа Солнца температурная зона от двадцати восьми до пяти кельвинов простирается на дистанциях от ста до трех тысяч ста астрономических единиц (одна астрономическая единица равна среднему расстоянию от Земли до Солнца). Это колоссальное расстояние, уходящее далеко в область внешнего кометного облака.

Совершенно иначе картина выглядит у маломассивных холодных звезд — красных карликов спектрального класса М, на долю которых приходится более семидесяти процентов звездного населения Галактики:

• У карлика с мощностью излучения в полторы тысячных доли от мощности Солнца граница в двадцать восемь кельвинов располагается на расстоянии всего четырех астрономических единиц от звезды.
• Температура двенадцать кельвинов достигается на расстоянии двадцати одной астрономической единицы.
• Предел в пять кельвинов наступает на расстоянии ста двадцати астрономических единиц.

В системах красных карликов вся зона высокоэффективных вычислений компактно сосредоточена на расстояниях, сопоставимых с расстояниями от Солнца до Сатурна, Урана и пояса Койпера.

Это порождает прямое преимущество для наблюдателей с Земли:

1. Совпадение с угловым разрешением телескопов. На расстояниях до тридцати световых лет угловой размер гало вокруг красного карлика составляет от четырех до сорока угловых секунд. Это точно укладывается в поле зрения субмиллиметрового телескопа JCMT на Гавайях (ширина луча четырнадцать целых шесть десятых угловой секунды на длине волны восемьсот пятьдесят микрометров). Излучение не рассеивается по гигантским площадям неба, а фиксируется в виде яркого компактного источника.
2. Время жизни звездных систем. Красные карлики расходуют ядерное топливо крайне экономно. Срок их стабильной жизни на главной последовательности составляет от одного до нескольких триллионов лет (Солнце существует около десяти миллиардов лет). Полный объем энергии, отдаваемый красным карликом за всю его эволюцию, огромен. На протяжении триллионов лет расширяющаяся Вселенная продолжит остывать, температура реликтового фона станет еще ниже, а предельные вычисления по принципу Ландауэра станут еще дешевле. Для долгоживущих цивилизаций окрестности красных карликов являются наиболее выгодным местом размещения инфраструктуры.

Шесть критериев: отделение искусственного излучателя от природного шума

Главная проблема обнаружения гало Слыша кроется не в нехватке чувствительности аппаратуры, а в надежном отделении искусственного сигнала от природных явлений.

Субмиллиметровый диапазон заполнен естественными холодными источниками: пылевыми поясами разрушенных астероидов, дозвездными газовыми конденсациями и далекими пылевыми галактиками. Чтобы исключить ложные выводы, Гарретт предложил шесть инструментальных критериев отбора:

1. Спектральная серость. Естественная межзвездная пыль состоит из микроскопических крупинок размером менее одного микрометра. В субмиллиметровом диапазоне такие частицы полупрозрачны, их тепловое излучение круто нарастает с увеличением частоты (поток энергии пропорционален частоте в степени от трех с половиной до четырех). Инженерные панели гало макроскопичны и оптически непрозрачны. Они ведут себя как серое тело, излучая строго по классическому закону термодинамики: поток энергии пропорционален квадрату частоты.
2. Радиальный профиль распределения тепла. В естественных осколочных дисках гравитация планет сжимает пыль в относительно узкие кольца. В гало Слыша панели распределены по широкому пространству орбит. Сканирование объекта показывает непрерывное падение температуры от центра к краям: температура убывает строго обратно пропорционально квадратному корню из расстояния до звезды.
3. Отсутствие линий молекулярного газа. Все природные холодные газовые облака с температурой от шести до двадцати кельвинов насыщены угарным газом, аммиаком и цианистыми соединениями, дающими яркие эмиссионные линии в спектре. Гало Слыша — твердотельная система. Его спектр полностью лишен молекулярных линий излучения газов.
4. Пространственная изоляция. Газопылевые комплексы сосредоточены в плоскости Млечного Пути в зонах активного звездообразования. Гало Слыша может находиться на любых галактических широтах вокруг изолированных старых звезд и не сопровождается ярким свечением в ближнем инфракрасном диапазоне (длина волны двадцать два микрона), характерным для формирующихся протозвезд.
5. Пространственное разрешение на интерферометрах. Наблюдения на радиоинтерферометрических решетках ALMA в Чили и NOEMA во Франции позволяют увидеть геометрическую форму объекта. Далекие фоновые галактики распадаются на точечные ядра или спиральные рукава. Гало Слыша выглядит как симметричная туманность, центрированная строго на звезде.
6. Совместное собственное движение (астрометрический тест). Фоновые галактики и неподвижные туманности зафиксированы на небесной сфере. Гало гравитационно связано со своей звездой. Оно обязано перемещаться по небесной сфере с той же угловой скоростью и обладать тем же годичным параллактическим смещением, что и сама звезда по высокоточным координатным каталогам спутника Gaia.

Необходимые данные уже получены

Для практической реализации программы поиска нет необходимости строить новые дорогостоящие космические обсерватории. Большой массив требуемых наблюдательных данных уже получен астрономами в ходе других исследовательских программ и находится в открытом доступе.

В рамках обзоров околозвездных пылевых дисков DEBRIS и DUNES на космическом телескопе Herschel, а также программы SONS на наземном телескопе JCMT ученые детально изучили сотни близких звезд на длинах волн сто, сто шестьдесят и восемьсот пятьдесят микрометров. Чувствительность этих измерений позволяет обнаружить искусственные излучатели мощностью около десяти в двадцатой степени ватт на расстоянии до тридцати световых лет. Это перехват всего лишь сотых или тысячных долей процента энергии родительской звезды.

Эти архивы создавались для изучения астероидной пыли. Если тепловой избыток не укладывался в стандартную модель пылевого пояса, его считали калибровочной погрешностью или случайным наложением далекой радиогалактики. Простая повторная обработка этих фотометрических каталогов с использованием модели серого тела способна дать первые экспериментальные ограничения на существование низкотемпературных техносфер.

Кроме того, данные космического телескопа Planck, сканировавшего все небо на частотах триста пятьдесят три, пятьсот сорок пять и восемьсот пятьдесят семь гигагерц, содержат тысячи неотождествленных холодных точечных источников.

Полная холодная сфера с температурой десять кельвинов и мощностью солнечного излучения на расстоянии трехсот световых лет создает мощный поток излучения плотностью около трехсот тридцати пяти Янски на частоте пятьсот сорок пять гигагерц. Порог обнаружения точечных источников телескопом Planck составляет около половины Янски.

Это означает, что полностью сформированные холодные сферы вокруг солнцеподобных звезд фиксируются приборами Planck на расстояниях более шести тысяч световых лет, охватывая обширный сектор рукавов Галактики. Если подобные сооружения существуют, они уже присутствуют в опубликованных таблицах как безымянные холодные объекты и ждут применения шести критериев селекции.

Температура как показатель возраста цивилизации

Температурная шкала теплового сброса технологической цивилизации напрямую отражает стадии ее развития.

Начальный этап развития сообщества неизбежно привязан к поверхности материнской планеты или околоземным орбитам, где рабочие температуры составляют сотни кельвинов. Человечество сегодня делает первые шаги в этом направлении: разработка концепций орбитальных дата-центров (например, проект Project Suncatcher) вызвана стремлением получить непрерывный доступ к солнечной энергии и сбрасывать тепло радиационным путем прямо в вакуум.

Однако при экспоненциальном наращивании вычислительных мощностей термодинамическая цена стирания информации по принципу Ландауэра становится определяющим фактором развития. Единственным выходом для цивилизации становится перенос ключевой инфраструктуры во внешние холодные зоны звездных систем, где рабочая температура падает до единиц кельвинов.

Если эта эволюционная траектория верна, то классические «теплые» сферы Дайсона в среднем инфракрасном диапазоне отражают лишь короткую переходную фазу развития цивилизаций, длящуюся всего несколько столетий. Напротив, низкотемпературные субмиллиметровые структуры на дальних орбитах способны стабильно существовать на протяжении миллиардов и триллионов лет.

Субмиллиметровый поиск техномаркеров замыкает шестидесятилетнюю программу исследований: он позволяет впервые в истории охватить наблюдениями весь возможный температурный диапазон существования искусственных мегаструктур — от сотен градусов выше нуля до температурного порога реликтового фона Вселенной. Дальнейший анализ архивных и новых радиоастрономических данных либо приведет к обнаружению первых реальных кандидатов в искусственные астроинженерные сооружения, либо установит жесткий предел на присутствие энергоемких вычислительных цивилизаций в окрестностях нашей звездной системы.

Источник: arXiv