Sphère de Dyson

Une sphère de Dyson est une mégastructure hypothétique décrite en 1959 par le physicien Freeman Dyson dans un court article publié dans le journal Science et intitulé « Recherche sur les sources stellaires artificielles de rayonnements infrarouges ». Elle consiste en une sphère de matière, artificielle et creuse, autour d’une étoile, conçue pour capturer presque toute l’énergie émise par l’étoile pour une utilisation industrielle.

Bien que Dyson ait été le premier à formaliser et populariser le concept de sphère de Dyson, l’idée lui fut suggérée en 1945 par la lecture d'une nouvelle de science-fiction intitulée Star Maker (1937) d'Olaf Stapledon, lui-même peut-être influencé par la sphère de Bernal imaginée par le Britannique John Desmond Bernal en 1929. La proposition originale de Dyson n’abordait pas les détails pratiques de la construction d'une sphère de Dyson, se concentrant plutôt sur la problématique fondamentale : comment une civilisation avancée pourrait augmenter sa production d’énergie au maximum possible pour un système planétaire donné. Une telle civilisation serait nommée civilisation de Type II selon la classification développée par l’astronome russe Nikolaï Kardashev.

Une étoile contenue dans une sphère de Dyson ne serait pas directement visible de l’univers extérieur, mais la sphère de Dyson émettrait elle-même une quantité équivalente d’énergie sous forme de lumière infrarouge à cause de la transformation du rayonnement de l’étoile en chaleur. De plus, comme les sphères de Dyson sont composées de matière solide au lieu de gaz chauds, le spectre d’émission de la sphère de Dyson ressemblerait plus au spectre d’un corps noir qu’à celui d’une étoile ordinaire, qui a des propriétés d’absorption introduites dans l’atmosphère stellaire. Dyson a proposé que les astronomes cherchent des « étoiles » géantes présentant des anomalies afin de détecter des civilisations extraterrestres avancées, mais les résultats sont encore sujets à caution (voir la section "Observations astrophysiques"). Des tentatives de détection de sphères de Dyson utilisant les données de surveillance du ciel de l’IRAS (satellite astronomique infrarouge) sont en cours.

Cependant, si les créateurs d’une sphère de Dyson voulaient augmenter le gradient de température (et ainsi augmenter l’efficacité du processus de récupération d’énergie), ils pourraient réfléchir la lumière de la surface intérieure de la sphère vers certaines zones de la surface de la sphère. La concentration de lumière serait limitée par la température maximum supportée par les matériaux mis en jeu dans le processus de conversion d’énergie. En conséquence la radiation en direction du monde extérieur ne serait pas omnidirectionnelle, donc les sphères de Dyson pourraient bien être invisibles.

Sur un plan purement physique, il est intéressant de remarquer qu’une telle sphère modifierait les caractéristiques spectrales propres de l’étoile, car elle renverrait du rayonnement vers l’étoile ! Autant par la réflexion que par l’émission thermique : le fond du Ciel serait ainsi plus « chaud » pour l’étoile, ce qui la dilaterait et augmenterait sa durée de vie !…

Il y a plusieurs variétés de sphères de Dyson.

Essaim

La plus réaliste de toutes, et la plus proche de la conception originale de Dyson est « l’essaim de Dyson ».

Elle consiste en un grand nombre de collecteurs solaires indépendants en orbite en une formation dense autour de l’étoile. Les collecteurs solaires peuvent varier en taille et en forme, et comprendre des habitations spatiales pour y faire vivre des créatures biologiques, mais en groupe elles intercepteraient collectivement presque toute l’énergie lumineuse de l’étoile. Plusieurs types d’orbitation ont été proposés pour les collecteurs, chacun avec différents avantages et inconvénients. Quel que soit le type choisi, certains collecteurs solaires passent une partie de leur orbite à l’ombre d’autres collecteurs solaires, réduisant ainsi l’efficacité de la sphère.

Comme les collecteurs opèrent indépendamment les uns des autres, un essaim de Dyson peut être construit de manière incrémentale sur une longue période de temps et fournir de l’énergie utile pendant ce temps.

Coquille

Un second type de sphère de Dyson est une coquille uniforme solide autour de l’étoile, parfois appelée une « coquille de Dyson » : il s'agit d'un revêtement intégral situé à une distance de l'étoile adaptée à la résistance du matériau (plus la coquille est proche, plus elle peut capturer d'énergie). Cette forme de sphère de Dyson est sans doute — si la technologie qu'elle nécessite devient accessible (quantité gigantesque de matériaux, travaillant dans des conditions extrêmes) — la plus "rationnelle" de toutes.

On la présente aussi souvent avec une couche atmosphérique et un sol sur la surface intérieure afin de fournir un environnement pour des formes de vie organiques. Cette forme habitable de coquille de Dyson — bien plus reprise dans la science-fiction — n’est pourtant très probablement pas physiquement réalisable pour plusieurs raisons :

• Les contraintes mécaniques gigantesques exercées par la gravité d’une étoile sur une telle sphère laissent penser qu’une réalisation de cette ampleur est impossible. Même si la sphère était mise en rotation pour produire une pseudo-gravité centrifuge autour de son « équateur », telle que la pesanteur induite serait nulle, les contraintes mécaniques pour les matériaux de la coquille deviendraient encore plus importantes : la pression d’écrasement n’est alors plus uniforme, mais augmente symétriquement en s’approchant des pôles ; les deux hémisphères tendraient à être écrasés sur l’étoile.

• Une autre est le fait que la force gravitationnelle exercée par une sphère creuse uniforme vers sa surface interne est nulle ; il n’y aurait rien pour retenir l’atmosphère (et le sol) à la surface interne de la sphère et tout ce qui n’y serait pas attaché tomberait vers l’étoile. Une autre possibilité serait de mettre l’atmosphère du côté extérieur de la sphère. Elle ne serait alors pas éclairée par l’étoile intérieure, mais serait retenue par sa gravité (additionnée de celle de la sphère elle-même). L’énergie fournie par la sphère de Dyson ainsi créée pourrait potentiellement être utilisée pour remédier au problème d’éclairage ou de chaleur que pose cette dernière configuration. Néanmoins à cette distance de l’étoile, la gravité serait de l’ordre du millième de la gravité terrestre, et pour obtenir une pression atmosphérique convenable sous cette gravité et sur toute la surface de la sphère, il faudrait une masse d’air non négligeable devant celle de l’étoile ! Ce qui finirait — s’il en faut — de rajouter de façon exorbitante les contraintes que subirait la sphère, ainsi que la stabilité gravitationnelle du système.

Bulle

Un troisième type de sphère de Dyson, appelé « bulle de Dyson », est parfois considéré, composé de statites (mot-valise de statique et satellite) qui flotteraient immobiles par rapport au soleil englobé en utilisant la pression de la lumière ; cette forme de sphère de Dyson requiert une masse si faible qu’elle pourrait être construite à partir de la matière contenue dans un petit satellite ou dans un grand astéroïde. Cependant, une bulle de Dyson de ce type a peu d’applications pratiques (récolter de l’énergie serait difficile de par sa faible masse et sa dépendance en une haute réflectivité), aussi en est-il rarement question.

Littérature

• Omale, de Laurent Genefort, est un monde créé sur le modèle d’une sphère de Dyson.
• Dans Les vaisseaux du Temps, de Stephen Baxter, suite de La Machine à remonter le temps d’H. G. Wells, le narrateur voyage dans un futur dont les sphères de Dyson connotent la modernité.
• Même s’il ne s’agit pas exactement d’une sphère, L’Anneau-Monde, de Larry Niven, fait référence à la Sphère de Dyson.
• Dans le roman « Le printemps russe » (Russian Spring) (1991) de Norman Spinrad, une sphère de Dyson prouve à l’humanité l’existence d’une civilisation extraterrestre très avancée.
• Le roman Spin (2007), de Robert Charles Wilson, traite des sphères de Dyson en tant qu’amas de collecteurs formant un réseau intelligent qui recouvre des planètes en fin de vie d’une membrane protectrice.
• Le roman L’Éveil d’Endymion, dernier opus du « cycle d’Hypérion » de Dan Simmons, décrit une véritable sphère de Dyson ayant surtout une fonction d’habitat.
• La bande dessinée Le Pays sans étoile, tome 3 de la série Valérian (par Pierre Christin et Jean-Claude Mézières), parle d’une planète creuse contenant un soleil et une lune, dans lequel vit un peuple primitif.
• Dans la série de romans L’Etoile de Pandore, de Peter F. Hamilton, on trouve deux étoiles entourées de sphères de Dyson, qui ont pour fonction d'éviter l'expansion de civilisations extraterrestres belliqueuses.
• Flashforward de Robert J. Sawyer y fait référence

Téléséries

• StarTrek: The Next Generation, le 4 épisode de la 6 saison « Reliques », où une sphère de Dyson a été découverte.

Jeux de rôle ou jeux vidéo

• Le jeu de rôle Larmes de rouille, de Nicolas Davoust, a pour décor une sphère de Dyson (Rouille) autour d’une étoile double.
• Le jeu de figurines futuristes AT-43 reprend l’idée pour les planètes industrielles de sa faction extraterrestre. Elles seraient construites autour d’étoiles blanches naines.
• Dans le jeu vidéo Freelancer, le joueur est confronté à une civilisation secrète qui tire son énergie d’une sphère de Dyson.
• Dans le jeu vidéo Prey, le joueur se retrouve au milieu d’un immense vaisseau planète qui est une sphère de Dyson.
• Dans l’univers Halo, les Forerunners ont construit une sphère de Dyson pour se protéger.

Trois candidates potentielles au titre de sphère de Dyson ont été détectées dans l’univers grâce au télescope spatial IRAS et aux travaux de Jun Jugaku, professeur d’astrophysique à l'Université Tōkai, au Japon. L’étude a été faite sur 594 étoiles comparables au Soleil dont certaines ont été observées avec une émission infrarouge supplémentaire (54 en tout) ; trois d’entre elles avaient un rayonnement particulièrement important « donc, artificiel » selon l’étude. Celle-ci n’a pas été contredite dans ses résultats mais dans son interprétation et le Professeur Jugaku lui-même reste réservé sur la nature de ces objets. Même s’ils en présentent les caractéristiques, rien ne prouve que ce soit des sphères de Dyson.