Още през 1960 г. физикът Фриймън Дайсън формулира основен принцип за търсене на напреднали извънземни цивилизации.

Логиката му се основава на фундаментален физичен закон: всяко използване на енергия неизбежно генерира топлина.

Ако една хипотетична цивилизация улавя значителна част от енергията на своята звезда, тя не може да я съхранява безкрайно.

Материалите се разрушават при сравнително ниско нагряване, а капацитетът на всякакви вътрешни хранилища е ограничен.

В крайна сметка цялата уловена енергия трябва да бъде излъчена обратно в космоса под формата на топлинно излъчване.

Вдъхновени от тази идея, астрономите повече от половин век търсят т.нар. сфери на Дайсън

Почти всички изследователски програми обаче се основаваха на скрито предположение. Те очакваха да открият излъчване с температура между 100 и 600 келвина (от -173 до +327 градуса по Целзий).

Този температурен диапазон съответства на условията на планети от земен тип и е подходящ за биологичен живот.

Именно към тези температури бяха насочени инфрачервените космически телескопи IRAS и WISE, както и мащабният проект „Хефест“ (Hephaistos).

Резултатите от дългогодишните наблюдения се оказаха или отрицателни, или спорни.

Почти всички открити „кандидати“ при по-детайлна проверка се оказваха далечни галактики, скрити зад плътни завеси от космически прах.

Ново изследване на астрофизика Майкъл Гарет от Манчестърския университет, прието за публикуване в списание Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, предлага строго обяснение за този неуспех.

Според Гарет търсенето е било насочено към грешен температурен диапазон

Ако една цивилизация е надхвърлила биологичните си ограничения, нейният основен консуматор на енергия ще бъде цифровата обработка на информация.

В такъв случай фундаменталните закони на физиката изискват точно обратното инженерно решение. Мащабните изчисления трябва да се извършват при възможно най-ниска температура.

Това измества фокуса на търсенето от средния инфрачервен спектър към субмилиметровия. В областта на дължини на вълните под един милиметър.

Там температурите на излъчващите повърхности са едва между 5 и 30 келвина над абсолютната нула.

Физическата цена на информацията: принципът на Ландауер

В основата на всяко изчисление лежи термодинамично ограничение, доказано от физика Ролф Ландауер през 1961 г.

Обработката на данни неизбежно се подчинява на законите за запазване. Всяка необратима логическа операция, при която информация се изтрива или презаписва (например нулиране на бит от оперативната памет), увеличава общата ентропия на Вселената. И води до задължително отделяне на топлина.

Минималното количество енергия, необходимо за изтриването на един бит информация, е правопропорционално на абсолютната температура на процесора.

Математически тази стойност е равна на произведението от константата на Болцман, абсолютната температура в келвини и естествения логаритъм от две.

От тази зависимост следва неоспорим извод. Колкото по-нагрята е една изчислителна система, толкова повече енергия се разсейва напразно при извършването на една и съща операция.

При температура от 300 келвина (около 27°C) минималният фундаментален разход на енергия за изтриване на един бит е около три десетохилядни от една милиардна от наноджаула.

Ако обаче работната среда на изчислителния комплекс се охлади до 10 келвина (-263°C), фундаменталната цена за извършване на същата операция намалява точно 30 пъти.

За цивилизация, чиито възможности са ограничени от мощността на наличните енергийни източници, това е фундаментална разлика.

Същият обем уловена звездна енергия позволява извършването на 30 пъти повече полезни изчисления, просто като се поддържа ниска температура на изчислителните вериги.

Тук възниква практическият въпрос: защо суперкомпютрите да не се разположат близо до звездата, където енергийната плътност е максимална, и да се охлаждат с мощни хладилни машини?

Отговорът се крие във втория закон на термодинамиката, формулиран чрез идеалния хладилен цикъл на Карно. Количеството работа, необходима за пренасяне на топлина от студено тяло към по-топла околна среда, се определя от съотношението между температурната разлика и температурата на охлаждания обект.

Ако външното пространство е нагрято от звездното излъчване, работата, изразходвана за принудително охлаждане на процесорите, нараства експоненциално с приближаването на температурата им до абсолютната нула.

При опит да се постигне дълбоко охлаждане в относително топла среда, разходите за енергия за работата на охладителните системи започват многократно да надвишават енергийната консумация на самите чипове.

Единственият начин за преодоляване на фундаменталните топлинни загуби е апаратурата да бъде преместена там, където околната среда е естествено студена.

Предимствата на открития вакуум: Безплатен студ и свръхпроводимост

В дълбините на планетните системи, далеч от централната звезда, космическото пространство не е подложено на силно нагряване.

Крайното термодинамично дъно тук е реликтовото микровълново лъчение – фоновото топлинно поле на Вселената, чиято температура е 2,725 келвина.

Невъзможно е да се падне под тази граница без изкуствено охлаждане, но е напълно възможно да се доближим до нея само чрез правилния избор на разстояние от звездата.

Преместването на изчислителната инфраструктура във външните области на звездните системи носи и допълнителен физически ефект: пасивен преход на материалите в състояние на свръхпроводимост.

При обикновени стайни температури движението на електроните в металите е съпроводено със съпротивление.

Енергията на електрическия ток частично се преобразува в паразитна топлина, а информационният сигнал затихва.

За да падне съпротивлението до нула, проводниците трябва да бъдат охладени под критичната температура на фазовия преход.

В земни условия това изисква тежки криогенни системи със затворен цикъл, използващи течен азот или течен хелий. В покрайнините на планетните системи обаче космическият студ осигурява тези условия по естествен път.

На разстояние от десетки астрономически единици металите преминават пасивно прага на свръхпроводимост.

При такива условия омическото нагряване на преносните линии напълно изчезва, топлинните шумове в приемниците на сигнали се свеждат до минимум и се създават идеални условия за дълготрайна квантова кохерентност в изчислителните регистри.

Често се предполага, че нискотемпературните обекти в космоса са твърде бледи, за да бъдат регистрирани от междузвездни разстояния.

Това обаче противоречи на физиката на топлинното излъчване.

В условията на космически вакуум топлинната енергия може да се разсейва единствено чрез електромагнитни вълни.

Според закона на Стефан – Болцман, общата мощност на излъчване на абсолютно черно тяло е строго пропорционална на четвъртата степен на неговата абсолютна температура.

В абсолютни стойности, специфичната площ за топлоотдаване се променя по следния начин: нискотемпературната изчислителна структура физически не може да бъде компактна. Тя задължително трябва да притежава колосални геометрични размери.

При това нейното сумарно топлинно излъчване не отслабва. То изцяло се пренася от инфрачервения спектър в областта на субмилиметровите вълни, разпределяйки се по милиони квадратни километри тънки излъчващи панели.

Това прави подобни структури достъпни за регистриране със съвременни астрономически методи.

Архитектурата на „Халото на Слиш“

Въз основа на тези изчисления Майкъл Гарет описва теоретичен модел на структура, наречена „Хало на Слиш“. Терминът е въведен в чест на съветския радиоастроном Вячеслав Слиш.

Още през 1985 г. на конференция на Международния астрономически съюз в Бостън Слиш доказва, че максималната термодинамична ефективност на мегаструктурите изисква тяхното охлаждане почти до температурата на реликтовото лъчение.

И призовава за търсене на извънземни цивилизации в милиметровия и субмилиметровия диапазон.

Халото на Слиш не е плътна, твърда обвивка. То представлява обширен, разреден рояк от автономни модули, които обикалят около звезда в зона. Там естествената температура на радиационно равновесие е между 5 и 28 келвина.

В търсенето на извънземни цивилизации астрономите предлагат нов подход

Да се търсят не комуникационни сигнали, а следи от мащабни инженерни проекти, известни като мегаструктури. Една от най-обещаващите концепции е т.нар. „хало на Слиш“ – гигантска инфраструктура, предназначена за високопроизводителни изчисления, която оставя специфичен топлинен отпечатък.

Идеята се основава на физическия принцип, че всяко изчисление генерира отпадна топлина

За да функционира ефективно, една свръхмощна изчислителна система трябва да се охлажда до температури, близки до абсолютната нула. Най-ефективният начин за това е разполагането ѝ в най-студените и отдалечени части на звездната система.

Конструкцията, предложена от учените, представлява огромна мрежа от ултратънки панели, разположени на стотици астрономически единици от своята звезда.

Едната страна на всеки панел е покрита с фотоволтаични клетки, които улавят слабата звездна светлина и произвеждат електричество.

В същото време и двете страни на панела функционират като радиатори, излъчващи отпадната топлина в космоса.

Физическите изчисления показват, че при тези условия площта, необходима за събиране на енергия, е равна на площта, нужна за нейното разсейване. Това позволява създаването на изключително лека и ефективна структура.

Червените джуджета – идеалното място за търсене

Разстоянието, на което се достига оптималната ниска температура, зависи от светимостта на звездата.

За звезди като Слънцето тази зона се намира на огромни дистанции – от 100 до над 3000 астрономически единици, далеч в облака на Оорт.

Картината обаче е коренно различна при червените джуджета – малки и студени звезди, които съставляват над 70% от звездното население в нашата галактика.

В техните системи зоната за високоефективни изчисления е много по-компактна и се намира на разстояния, сравними с тези до Сатурн, Уран и пояса на Кайпер в Слънчевата система. Това ги превръща в основна цел за астрономите на Земята.

Необходимите данни вече съществуват

За практическото осъществяване на това търсене не е нужно да се строят нови скъпи обсерватории. Огромен масив от необходимите данни вече е събран по време на други изследователски програми и е публично достъпен.

Програми като DEBRIS и DUNES с космическия телескоп „Хершел“ и SONS с наземния телескоп JCMT са изследвали стотици близки звезди на дължини на вълните 100, 160 и 850 микрометра.

Чувствителността на тези наблюдения е достатъчна за откриване на изкуствени излъчватели с мощност от порядъка на 10²⁰ вата на разстояние до 30 светлинни години.

Една обикновена преработка на съществуващи фотометрични каталози, използваща модела на „сивото тяло“, може да предостави първите експериментални ограничения за съществуването на нискотемпературни техносфери.

Освен това, данните от космическия телескоп „Планк“, който е сканирал цялото небе на честоти 353, 545 и 857 гигахерца, съдържат хиляди неидентифицирани студени точкови източници.

Напълно изградени студени сфери около звезди, подобни на Слънцето, биха били регистрирани от инструментите на „Планк“ на разстояния над 6000 светлинни години.

Това обхваща огромен сектор от ръкавите на нашата Галактика.

Ако такива структури съществуват, те вече присъстват в публикуваните каталози като безименни студени обекти, очакващи да бъдат анализирани по шест специфични критерия за селекция.

Температурата като индикатор за възрастта на една цивилизация

Температурната скала на топлинните емисии от една технологична цивилизация е пряко отражение на етапите на нейното развитие.

Първоначалният етап неизбежно е свързан с повърхността на родната планета или с близки орбити, където работните температури са от порядъка на стотици келвини.

Човечеството днес прави първите си стъпки в тази посока. Разработването на концепции за орбитални центрове за данни (като Project Suncatcher) е мотивирано от стремежа за непрекъснат достъп до слънчева енергия и за директно излъчване на отпадната топлина във вакуума.

Ако тази еволюционна траектория е вярна, то класическите „топли“ сфери на Дайсън, излъчващи в средния инфрачервен диапазон, отразяват само кратка, преходна фаза в развитието на цивилизациите, продължаваща едва няколко века.

За разлика от тях, нискотемпературните субмилиметрови структури в далечни орбити могат да съществуват стабилно в продължение на милиарди и дори трилиони години.

Субмилиметровото търсене на техномаркери затваря един 60-годишен цикъл на изследвания. Бъдещият анализ на архивни и нови радиоастрономически данни или ще доведе до откриването на първите реални кандидати за изкуствени астроинженерни съоръжения, или ще постави строги ограничения за присъствието на енергоемки изчислителни цивилизации в околностите на нашата звездна система.