У нас было 10 «идеальных» кандидатов в сферы Дайсона. „Джеймс Уэбб“ только что все опроверг

Поиск признаков разумной жизни за пределами Солнечной системы разделяют на два направления: поиск биологических маркеров (следов примитивной жизни вроде микроорганизмов) и поиск техносигнатур — свидетельств работы сложных технологических систем.

В 1960 году физик-теоретик Фримен Дайсон предложил метод поиска развитых цивилизаций, основанный на фундаментальных законах физики. Дайсон исходил из простого принципа: растущая цивилизация непрерывно увеличивает потребление энергии. Рано или поздно ресурсов одной планеты станет недостаточно, и цивилизация начнет перехватывать излучение своей материнской звезды целиком. Для этого вокруг светила можно построить сеть улавливающих станций, спутников или сплошную оболочку — конструкцию, которую позже назвали сферой Дайсона.

По второму началу термодинамики энергия не может использоваться без выделения тепла. Мегаструктура, улавливающая видимый свет звезды, нагревается. Чтобы сохранять стабильную температуру и не разрушиться, она обязана сбрасывать избыточное тепло в окружающее пространство.

Температура такой конструкции будет находиться в пределах от 100 до 300 Кельвинов (от минус 170 до плюс 27 градусов Цельсия). Физика теплового излучения определяет, что при таких температурах максимум энергии выделяется не в видимом глазу диапазоне, а в среднем и дальнем инфракрасном спектре — на длинах волн от 10 до 100 микрометров.

Так, для внешнего наблюдателя звезда со сферой Дайсона будет выглядеть как обычное светило, но с резким и неестественно высоким избытком теплового инфракрасного излучения.

Проект Hephaistos: поиск тепловых аномалий

С развитием орбитальных телескопов у астрономов появилась возможность проверить гипотезу Дайсона на больших массивах наблюдательных данных. Международная группа исследователей из Швеции и Великобритании организовала проект Hephaistos. Их целью стал автоматический поиск звезд с аномальным инфракрасным потоком.

Для этой работы ученые объединили данные двух космических миссий:

1. Gaia (Европейское космическое агентство): телескоп, измеряющий координаты, расстояния, параллаксы, яркость и параметры движения более миллиарда звезд в видимом диапазоне с высокой точностью.
2. WISE / AllWISE (NASA): инфракрасный космический телескоп, который составил карту всего неба в четырех спектральных полосах: W1 (3,4 микрометра), W2 (4,6 микрометра), W3 (12 микрометров) и W4 (22 микрометра).

Авторы сопоставили каталоги и применили строгие критерии отбора. Компьютерный алгоритм исключил из анализа известные объекты с естественным высоким инфракрасным фоном: гигантские звезды на поздних стадиях жизни, области активного звездообразования и участки с сильным загрязнением от межзвездной пыли.

В результате первичного отбора исследователи выделили семь звезд, расположенных относительно близко к Земле — на расстояниях от 140 до 275 парсеков (примерно 450-900 световых лет). Позже к этому списку добавили еще три аналогичных объекта. Все эти десять источников демонстрировали одну и ту же странность: их видимый свет был стабильным и умеренным, однако на длинах волн 12 и 22 микрометра приборы фиксировали сильное превышение расчетной энергии.

Математические модели показали: если вокруг этих звезд разместить твердые структуры, которые перехватывают от 5 до 17 процентов всего света светила и нагреваются до комнатной температуры, полученные графики излучения полностью совпадут с данными телескопа WISE.

Проблема естественных помех: молодые звезды и пыль

Прежде чем делать выводы об искусственном вмешательстве, астрономы обязаны детально рассмотреть природные физические процессы, способные создавать точно такое же тепловое излучение.

Главный природный источник инфракрасного избытка у звезд — околозвездная пыль. В процессе эволюции планетных систем пылевые структуры проходят несколько последовательных этапов:

Избыток энергии у исследуемых десяти кандидатов наблюдался исключительно в длинноволновых полосах 12 и 22 микрометра, тогда как на длинах волн 3,4 и 4,6 микрометра никакого избытка не было.

По своему фотометрическому профилю эти звезды в точности напоминали переходные диски. В таких системах пространство рядом со звездой уже пустое, поэтому горячей пыли там нет, но на далеких орбитах сохраняется плотное кольцо холодного вещества, излучающего в среднем инфракрасном диапазоне.

Возник ключевой научный вопрос: являются ли эти десять объектов недавно сформировавшимися молодыми звездами с естественными остаточными дисками, или это старые, стабильные звезды, рядом с которыми находится нечто иное?

Спектроскопический анализ на телескопе NOT

Чтобы выяснить реальный эволюционный статус найденных объектов, авторы статьи провели спектроскопические наблюдения. Свет пяти звезд из выборки разложили в спектр с помощью спектрографа ALFOSC, установленного на 2,5-метровом Северном оптическом телескопе (Nordic Optical Telescope, NOT) в Испании на острове Пальма.

Спектр позволяет однозначно определить физическое состояние и возраст звезды по нескольким независимым параметрам:

1. Эмиссионная линия водорода H-альфа (Hα)

Когда молодая звезда притягивает к себе остатки газа из протопланетного диска (процесс аккреции), падающий водород сильно нагревается и начинает ярко светиться на строго определенной длине волны — 656,3 нанометра. Это линия Бальмеровской серии, обозначаемая как H-альфа (Hα).

У молодых активных красных карликов линия H-альфа видна как мощный пик излучения (эмиссия) с так называемой эквивалентной шириной менее -10 или -20 ангстрем.

Наблюдения на телескопе NOT показали, что у четырех из пяти изученных звезд (кандидаты A, D, H, J) линия H-альфа в эмиссии полностью отсутствует.

У пятого объекта (кандидат I) эмиссионная линия была зафиксирована, однако ее интенсивность оказалась крайне низкой — эквивалентная ширина составила всего -2,8 ангстрема. Такие слабые показатели вызваны обычной хромосферной магнитной активностью (вспышками на поверхности звезды), которая регулярно происходит у зрелых красных карликов, и не имеют отношения к аккреции газа из диска.

2. Поверхностная гравитация (log g)

Молодые звезды, формирующиеся из газопылевых облаков, еще не завершили процесс гравитационного сжатия. При той же массе они имеют больший радиус и меньшую плотность, поэтому ускорение свободного падения на их поверхности существенно ниже, чем у старых звезд.

Астрономы рассчитали поверхностную гравитацию кандидатов, применив эмпирические зависимости массы и радиуса для М-карликов. Значения составили от 4,72 до 5,02 единиц. Это стандартные величины для звезд главной последовательности, которые уже сжались до стабильного состояния и спокойно сжигают водород в термоядерных реакциях.

3. Анализ переменности яркости

Молодые звезды, окруженные дисками, вращаются неравномерно, имеют крупные темные пятна и регулярно частично заслоняются пылевыми сгустками, из-за чего их видимая яркость постоянно колеблется.

Ученые проанализировали фотометрические кривые блеска всех десяти звезд, полученные орбитальным охотником за экзопланетами TESS. Ни один из десяти кандидатов не продемонстрировал выраженных изменений яркости или строгой периодичности вращения, свойственной молодым объектам.

Спектроскопия и фотометрия привели к однозначному выводу: все исследованные объекты являются зрелыми, стабильными красными карликами главной последовательности. Вокруг них нет аккрецирующего газа, нет плотных остатков протопланетных дисков и нет условий для естественного формирования пылевого инфракрасного избытка.

Причина иллюзии: угловое разрешение и наложение источников

Получился парадокс: естественных дисков из пыли и газа вокруг звезд нет, но инфракрасные приборы продолжали фиксировать сильное излучение тепла именно из этих точек неба.

Объяснение этого явления лежит в области геометрии оптических систем и физических ограничений телескопа AllWISE.

Любой телескоп имеет предел углового разрешения — минимальное угловое расстояние между двумя точками на небе, при котором прибор видит их раздельно, а не сливает в одно пятно. У телескопа AllWISE диаметр главного зеркала составлял 40 сантиметров. Из-за дифракции света его угловое разрешение в полосах 12 и 22 микрометра составляло от 6 до 12 угловых секунд. Это относительно большой участок неба.

Если на одной линии визирования с близкой звездой случайно оказывается далекий внегалактический объект, телескоп WISE не может их разделить. Он суммирует оптический свет передней звезды и инфракрасный поток далекого фонового объекта.

Фоновыми объектами в таких случаях служат далекие запыленные галактики с активными ядрами (сверхмассивными черными дырами в центре) или галактики с экстремально высокой скоростью образования новых звезд. В этих галактиках межзвездная пыль полностью поглощает видимый свет и ультрафиолет, превращая его в мощный тепловой поток в инфракрасном диапазоне. В оптический телескоп такая галактика практически не видна из-за колоссального расстояния и поглощения света, но в инфракрасном диапазоне она сияет с высокой интенсивностью.

Так как выборка проекта Hephaistos формировалась на основе анализа более чем пяти миллионов звезд, чисто статистически несколько источников неизбежно должны были совпасть на луче зрения с подобными далекими инфракрасными галактиками.

Проверка гипотезы космическим телескопом «Джеймс Уэбб»

Гипотеза о случайном наложении объектов требовала прямой экспериментальной проверки телескопами с более высоким угловым разрешением.

Для этой задачи применили космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST). Его главное зеркало диаметром 6,5 метра обеспечивает субсекундное угловое разрешение в среднем инфракрасном диапазоне — в десятки раз более детальное, чем у аппарата WISE.

Наблюдения на приборе среднего инфракрасного диапазона MIRI на борту JWST для кандидатов D и E полностью подтвердили гипотезу суперпозиции:

1. Звезды D и E оказались стандартными красными карликами без малейших признаков околозвездных оболочек или теплового избытка.
2. Непосредственно за ними (со смещением в доли угловой секунды) прибор зафиксировал отдельные, чрезвычайно красные и запыленные фоновые галактики, удаленные на миллиарды световых лет.

Параллельные радиоастрономические наблюдения и анализ смещения центроидов для кандидата B показали присутствие на той же линии визирования мощного точечного внегалактического радиоисточника, что также доказывает наличие фоновой галактики.

Все десять аномальных источников, выделенных как кандидаты в структуры Дайсона, оказались оптической иллюзией, вызванной наложением двух несвязанных между собой космических тел на один луч зрения.

Итоги работы и значение для программы SETI

Работа исследовательской группы проекта Hephaistos демонстрирует, как устроен современный строгий научный поиск техногенных сигнатур.

1. Исключение ложных срабатываний. Главной проблемой крупномасштабных астрономических обзоров остаются случайные пространственные совпадения. Наложение близких звезд на далекие запыленные галактики формирует сигнал, неотличимый по базовым признакам от сферы Дайсона. Полученные данные позволили оцифровать вероятность таких событий и создать математические фильтры для будущих каталогов.
2. Отработка наблюдательного протокола. Ученые сформировали четкий алгоритм проверки любых потенциальных техносигнатур: от базового анализа фотометрии до оптической спектроскопии высокого разрешения (для проверки возраста звезды) и последующей прямой съемки на инструментах класса JWST или антенной решетке миллиметрового диапазона ALMA.
3. Определение порогов чувствительности. Расчеты показали, что телескопы JWST и ALMA способны напрямую зарегистрировать или опровергнуть наличие тепловых оболочек с температурой от 100 до 300 Кельвинов у любых близких звезд, если эти оболочки перехватывают хотя бы несколько процентов звездного света.

Поиск астроинженерных конструкций перестал быть гипотетическим рассуждением. Он опирается на строгие спектральные измерения, законы термодинамики и высокоточное приборное разделение сигналов. Методика поиска непрерывно совершенствуется, отсеивая естественные природные помехи и оставляя все меньше слепых зон для обнаружения реальных аномалий.

Источник: arXiv