Vous lisez un « article de qualité » labellisé en 2011.
Pour les articles homonymes, voirSphère (homonymie) etDyson (homonymie).
Unesphère de Dyson est unemégastructure hypothétique décrite en 1960 par lephysicien etmathématicien américano-britanniqueFreeman Dyson, dans un court article publié dans la revueScience et intituléSearch for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation (« Recherche de sources stellaires artificielles de rayonnements infrarouges »)[1]. Cette structure d'astro-ingénierie consiste en unesphère de matière, artificielle et creuse, située autour d'une étoile et conçue pour en capturer presque toute l’énergie émise pour une utilisation industrielle. Dyson nomme également cette structure« biosphère artificielle ».
Bien que Dyson ait été le premier à formaliser et populariser ce concept, auquel son nom reste attaché pour cette raison, l'idée lui en est venue en 1945 après la lecture du roman descience-fictionStar Maker d'Olaf Stapledon paru huit ans plus tôt[2]. Dyson a également été influencé par lasphère imaginée par le BritanniqueJohn Desmond Bernal en 1929. Dans son article, Dyson explique qu'une telle sphère est un moyen idéal pour une civilisation très avancée de faire face à un accroissement démographiqueexponentiel. Il la décrit comme une coquille enserrant son étoile parente, captant la quasi-intégralité de sa radiation stellaire. Dyson explique que de telles sphères pourraient aussi abriter des structures d'habitations. Enfin, il recommande d'observer la Galaxie dans l'infrarouge afin de détecter de possibles sphères dans notre galaxie.
Dyson, mais aussi d'autres auteurs après lui, ont décrit les propriétés de cette sphère, aussi bien concernant sa composition, sa température, sa localisation au sein de sonsystème solaire, que sa capacité de déplacement. L'idée qu'une civilisation extraterrestre avancée puisse pallier ses problèmes énergétiques au moyen d'une biosphère artificielle est une solution possible auparadoxe de Fermi, problème auquel Dyson a tenté de répondre en précisant les conditions d'observation. Le modèle élaboré par Dyson a influencé nombre de mégastructures hypothétiques. Plusieurs programmes de recherche de possibles sphères de Dyson ont été menés depuis 1985. Si des étoiles ont pu afficher des caractéristiques proches de celles attendues concernant ces mégastructures spatiales, aucune conclusion n'a pu être tirée concernant l'existence probante de tels objets artificiels. En revanche, lascience-fiction a beaucoup utilisé l'idée de Dyson, que ce soit en littérature, au cinéma, dans les jeux vidéo, ainsi qu'à la télévision.
Freeman Dyson a explicitement considéré qu'avec les moyens techniques disponibles, la conception d'une coquille solide de cette taille est mécaniquement impossible, en raison des contraintes de matériaux, de la gravité et de la stabilité structurelle ; elle nécessiterait des matériaux et une ingénierie allant bien au-delà de nos capacités théoriques actuelles. Il a donc proposé des variantes plus crédibles :
Freeman J. Dyson a eu l'idée des « biosphères artificielles » en lisant le roman descience-fictionStar Maker (Créateur d'étoiles, 1937) d'Olaf Stapledon, qui décrit des « pièges à lumière » (light traps) : des mégastructures produites par une civilisation très avancée technologiquement. DansCréateur d'étoiles, des centaines de milliers de mondes ont construit des structures habitables concentriques enserrant leurs étoiles, captant ainsi la majeure partie de leurs radiations solaires, pour leurs besoins énergétiques. Les anneaux extérieurs, plus éloignés du soleil, se composent quant à eux de globes abritant la vie[3].John Desmond Bernal a cependant été le premier, dès 1929, dans son ouvrageThe World, the Flesh, and the Devil, à penser un habitat spatial consistant en une coquille creuse de 1,6 km de diamètre, avec une population de 20 000 à 30 000 personnes et remplie d'air. Les autres modèles qui ont suivi (leSunflower, letore de Stanford et lecylindre O'Neill) ont, à l'image de l'idée initiale de Bernal, imaginé une mégastructure produisant elle-même son énergie solaire[4]. L'écrivain de science-fictionRaymond Z. Gallun imagine quant à lui, dansIszt–Earthman (1938) puis dansThe Raiders of Saturn's Ring (1941), comment l'humanité pourrait démanteler des planètes entières pour fabriquer des anneaux dans lesquels les terriens vivraient, enorbite autour du Soleil. Revenant sur ces écrits, Gallun se considère comme l'un des précurseurs de la théorie de Dyson[5].
Dyson a également connaissance des travaux de l’astronome russeNikolaï Kardachev, qui a établi une classification des civilisations extraterrestres, selon l'usage qu'elles font de l'énergie disponible dans leurs environnements[6]. Une civilisation de typeI est capable d'utiliser toute l'énergie disponible sur saplanète d'origine (approximativement une puissance de 1,74 × 1017 watts, soit l'équivalent de cent millions de réacteurs nucléaires comme l'EPR). Une civilisation de typeII doit s'avérer capable de collecter toute l'énergie de sonétoile centrale, soit une puissance valant à peu près 1026 W. Une sphère de Dyson appartient donc au typeII[7]. Enfin, une civilisation de typeIII a à sa disposition toute l'énergie émise par lagalaxie dans laquelle elle est située, soit près de 1036 W. S'appuyant sur cette échelle[8], Dyson a calculé qu'une société avec 1 % de croissance économique annuelle peut atteindre le typeII en 2 500 ans, c'est-à-dire qu'elle est susceptible de puiser directement, et intégralement, son énergie de sonétoile[9].
Freeman Dyson, mathématicien et physicien travaillant à l'Institute for Advanced Study dePrinceton, propose l'hypothèse desmégastructures sphériques dans un court article, publié dansScience, et intituléSearch for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation (« Recherche de sources stellaires artificielles de rayonnements infrarouges »), le[1]. Il part du postulat que des civilisations extraterrestres ont une avance technologique sur l'humanité :« Il est donc plus que probable que de tels êtres observés par nous auront existé depuis des millions d'années, et auront atteint un niveau technologique surpassant le nôtre par de nombreux ordres de magnitude. Une hypothèse de travail raisonnable est alors que leur habitat se sera étendu jusqu'aux limites fixées par les principes malthusiens[10]. » Dyson postule ensuite que ces civilisations extraterrestres possèdent unsystème solaire semblable au nôtre :« En prenant notre propre système solaire comme modèle, nous atteindrons au moins une image possible de ce qui pourrait normalement arriver ailleurs. Je n'affirme pas que cela se produira dans notre système ; je dis seulement que c'est ce qui pourrait s'être produit dans d'autres systèmes[10]. »
Or, unecivilisation extraterrestre à la conquête de son système solaire, et assez avancée technologiquement, a besoin d'une double alimentation : en matière et en énergie. Dyson rappelle que celle de l'espèce humaine est actuellement (en 1960) de l'ordre de 1020 ergs/s[11]. Cependant :« Les quantités de matière et d'énergie dont on pourrait imaginer qu'elles nous deviennent accessibles au sein du système solaire sont de 2 × 1030 g (la masse de Jupiter) et 4 × 1033 ergs/s (la diffusion totale de l'énergie solaire)[10]. » Dyson évoque donc deux solutions accessibles à une civilisation hautement avancée, au sein de son système solaire : son étoile (leSoleil dans le cas de la Terre) pour l'énergie et sa géante gazeuse (Jupiter le cas échéant) pour la matière. La masse de lagéante gazeuse, une fois manipulée à cette fin, permettrait de créer unemégastructure apte à capter l'énergie de l'étoile. Toutefois, la manipulation technologique permettant d'utiliser cette source nécessite elle-même de l'énergie. Dyson imagine en effet de« désassembler et de réarranger une planète de la taille de Jupiter[10] », et estime cette opération à environ 1044 ergs, c'est-à-dire à une quantité d'énergie égale à celleirradiée par le Soleil en 800 ans.« Enfin, la masse de Jupiter, si elle est distribuée dans une coque sphérique tournant autour du Soleil au double de la distance où se trouve la Terre, aurait une épaisseur telle que la masse soit de 200 g/cm2 de surface (2 à 3 m, en fonction de la densité). Une coque de cette épaisseur pourrait être rendue habitable avec confort, et pourrait contenir toute la machinerie nécessaire à l'exploitation de la radiation solaire tombant dessus depuis l'intérieur[10]. »
Le physicien revient sur la nécessité civilisationnelle de cette mégastructure, expliquant comment l'accroissement démographique a pu motiver la construction d'une biosphère artificielle :« sauf accidents, les pressions malthusiennes finiront par amener les espèces intelligentes à adopter une telle exploitation efficace des ressources à leur disposition. On devrait s'attendre à ce que, dans les quelques milliers d'années de son entrée dans l'étape de son développement industriel, toute espèce intelligente se retrouve à occuper une biosphère artificielle entourant complètement son étoile parente[10]. » Dyson conclut son article sur la possibilité, étant donné son exposé, d'observer le ciel en ne se limitant plus aux étoiles visibles, mais en étendant l'investigation aux sources d'émissions infrarouges (ce qu'il nomme les« étoiles infrarouges »). En effet :« L'habitat le plus probable pour de tels êtres serait un objet sombre, d'une taille comparable à celle de l'orbite terrestre, et d'une température de surface de200 K à300 K. Un tel objet sombre irradierait aussi intensément que l'étoile cachée à l'intérieur, mais la radiation serait dans l'infrarouge lointain, autour d'une longueur d'onde de 10 microns[10] »[12] Les candidates à cette observation dans l'infrarouge sont donc susceptibles d'être les« étoiles connues pour être des étoiles binaires avec des compagnons invisibles[10]. »
L'article de Dyson ouvre une série de débats. Un résumé de l'article, intituléShells Around Suns May Have Been Built paraît dansScience News Letter le. Le, un débat est lancé dans la rubriqueLetters to the Editor de la revueScience. L'écrivain et critique scientifique britanniqueJohn Maddox, duWashington Post, réagit le premier à l'hypothèse de Dyson. Ce dernier considère la suggestion de Dyson comme peu réaliste, car la structure de la sphère ne respecte pas les lois mécaniques. Maddox pense qu'« il n'est pas concevable d'utiliser une planète comme Jupiter comme carrière à matériaux ». De plus, l'hypothèse de Dyson ne peut aboutir à réaliser une coque rigide capable de résister auxforces de cisaillement et à celles qui auraient tendance à déplacer l'ensemble vers le plan équatorial, déformant ainsi l'ouvrage. Maddox critique également le fait qu'une telle structure puisse atteindre une dimension d'uneunité astronomique de rayon. L'écrivain scientifique considère que des êtres réellement intelligents et avancés auraient plutôt opté pour une structure entore, couchée dans un plan perpendiculaire à l'axe de sa propre rotation, et ce même si cette configuration ne capterait qu'une infime partie de la radiation solaire par rapport au modèle de Dyson. Enfin, il ne comprend pas le lien entre la pression démographique future et la nécessité de créer des biosphères artificielles[13].
À la suite de Maddox, l'écrivain descience-fiction américainPoul Anderson, en passionné de spéculation futuriste, se doit cependant de préciser certains points de l'hypothèse initiale de Dyson. Selon lui, les contraintes mécaniques rendent impossibles une telle structure. Par ailleurs, l'apport énergétique nécessaire à sa fabrication, estimée à 800 ans par Dyson, ne pourrait être tenu en raison de l'accroissement démographique sur cette longue période de temps. Il est aussi impossible de se représenter une civilisation capable de« continuer patiemment cette énorme tâche, millénaire après millénaire. » Anderson renverse même l'argumentation de Dyson : une croissance démographique importante ne permettrait pas la stabilité politique nécessaire à la construction d'une biosphère artificielle[14]. Toujours dans la même rubrique, l'ingénieur enaéronautique Eugene Sloane trouve quant à lui que l'idée de Dyson est« réalisable et raisonnable ». Il se demande ensuite pourquoi, si de telles civilisations avancées existent, aucune n'a pu entrer en contact avec l'humanité[15].
Freeman J. Dyson répond ensuite aux trois précédents intervenants. Premièrement, à l'argument selon lequel une biosphère artificielle ne pourrait résister auxefforts mécaniques, il concède qu'« une coquille solide ou un anneau entourant une étoile est mécaniquement impossible. » Il continue :« La forme de « biosphère » que j'ai envisagée consiste en une collection lâche ou un essaim d'objets sur des orbites indépendantes voyageant autour de l'étoile. La taille et la forme des objets individuels seraient choisies en fonction de ses habitants. » À la question de l'accroissement démographique, Dyson répond que les conclusions obtenues sont une« affaire de goût ». Il se contente de répondre qu'une telle augmentation ne saurait être planifiée ou imposée par un État policier ou dictatorial. Il reconnaît toutefois que ce sont des vuesanthropomorphiques. Enfin, il note que la découverte de sources infrarouges typiques ne saurait prouver la vie extraterrestre[16]. Plusieurs auteurs et scientifiques réagissent par la suite à l'hypothèse de Dyson.Carl Sagan et Russell G. Walker, dansThe Infrared Detectability of Dyson Civilizations (1966) qualifient l'article de Dyson de très« stimulant ». Ils voient dans ses sphères un projet capable de mettre fin aux problèmes d'alimentation en énergie et desurpopulation[17].
En septembre 2021, l’astrophysicien taïwanais Tiger Yu-Yang Hsiao, proposait dans lesMonthly Notices of the Royal Astronomical Society, un dispositif similaire à celui imaginé par Dyson adapté à untrou noir. D’après ses calculs, envelopper un tel astre d’une dizaine de kilomètres de diamètre avec des capteurs à photons permettrait de récolter une énergie équivalente à une dizaine de milliers desoleils[18].
L'astrophysicien et directeur de recherche CNRS à l'Institut d'astrophysique de ParisNicolas Prantzos explique l'impossibilité de telles structures en reprenant les problèmes de solidité et de tension de cisaillement, mais évoque également l'instabilité à laquelle elle serait soumise du fait des perturbations gravitationnelles dues à l'étoile. Celles ci faisant tomber les différentes parties de la structure sur l'astre[19]. De plus lespetits corps peuplant un système solaire aboutiraient à la détérioration et, à terme, à la destruction de la structure, de manière inévitable. En outre la construction de ces sphère nécessiterait une quantité de matière de plusieurs masses planétaires, ce qui les rend impossibles à construire, en admettant avoir résolu toutes les quasi impossibilités techniques.
Selon l'astronome et théoricien Brian C. Lacki, même des essaims de Dyson, s'ils ont existé ou s'ils existent, pourraient ne pas persister assez longtemps pour que nous les trouvions. Si la civilisation qui les a construits disparait, sans entretien leurtechnosignature disparaitrait rapidement en raison d'instabilités gravitationnelles et de collisions inévitables. Les restes seraient projetés dans le milieu interstellaire si l'étoile hôte est très brillante, ou réduit en gaz ionisé. Selon lui, l'humanité ne disposerait que de 41 000 ans entre l'apparition d'une trace de ce type de civilisation et sa disparition, à moins que des extraterrestres ne soient assez intelligents pour parvenir un autre moyen de capter de l'énergie stellaire[20].
L'idée de Dyson a ouvert la voie à d'autres hypothèses quant à l'existence de mégastructures, construites par des civilisations extraterrestres. Le mathématicien lui-même, en 2003, dans son articleLooking for life in unlikely places : reasons why planets may not be the best places to look for life, a proposé la possibilité qu'une civilisation utilise des formes de vie dispersées dans l'espace, qu'il se représente comme des tournesols (sunflowers), pour collecter l'énergie des étoiles distantes[21].
Le pionnier de l’intelligence artificielleMarvin Minsky, à la suite du discours qu'a donné Dyson durant le congrès de Byurakan en 1971, suggère que des ordinateurs évolués pourraient tirer profit de la température dufond de rayonnement cosmique micro-onde pour dissiper leur chaleur[22],[23]. Ces projets, qui peuvent être appelés d'astro-ingénierie, mégaprojets ou encore macroprojets spatiaux, incluent aussi l'idée des « cerveaux de Jupiter » (Jupiter Brains) élaborée par Anders Sandberg en 1999[24], suivie par celle de Robert J. Bradbury, en 2001, avec les « cerveaux de Matriochka » (Matrioshka Brains)[25],[26]. Il s'agit d'utiliser la masse et l'énergie de Jupiter, ou de tout autre astre, pour générer unepuissance de calcul phénoménale, permettant ainsi, par exemple, de produire uneréalité simulée. Nick Szabo a imaginé des sphères de Dyson immergées au sein de leurs étoiles parentes. Cette structure pourrait capter directement l'énergie thermonucléaire à sa source[24]. Paul Birch, dansA Visit to SupraJupiter (1992), a développé l'idée d'enserrer la planèteJupiter dans une coquille rigide. La surface serait habitable (lagravitation y serait optimale pour l'homme) alors que l'énergie proviendrait du noyau de la planète. Dandridge MacFarlan Cole a imaginé quant à lui en 1963 d'utiliser unastéroïde pour établir unecolonie spatiale. Il s'agirait de le creuser et de recueillir la lumière solaire au moyen de miroirs. Ces « bubbleworlds » pourraient être utilisés pour explorer la Galaxie. A. C. Charani pense qu'il est envisageable de créer une sphère de Dyson miniature, autour d'un astéroïde, ce qui permettrait de le stabiliser et de lui adjoindre uneatmosphère viable[27]. Pour démanteler une planète comme Jupiter, le professeur russe G. Pokrovskii suggère de construire unpatron en forme de cuvette et constitué d'une série de ceintures, chacune tournant à sa propre vitesse[28].
La sphère de Dyson requiert unemasse importante de matière. La solution la plus plausible serait d'utiliser, soit celle de Jupiter, soit celle, pour une structure plus réduite, de la Terre. Dans ce dernier cas, Dyson imagine le moyen de désassembler la planète bleue en utilisant des enroulements métalliques et en produisant un champtoroïdal courant horizontalement suivant leslatitudes. La Terre deviendrait ensuite l'armature d'un gigantesque moteur électrique qui exercerait une contrainte intense sur sa surface équivalent à8 × 10−4 bar. L'accélération angulaire serait de 9 × 10−16 rad/s2. Près de 2 500 ans suffiraient à démanteler la masse terrestre, à raison d'une demande énergétique de 6 × 1019 W soit 1,5 × 10−7 fois la puissance totale fournie par le Soleil[29]. Pour Martin Beech, la sphère de Dyson est l'un des principaux moyens d'astro-ingénierie, mais sa conception requiert un niveau technologique si avancé qu'il ne peut que suivre laterraformation de Vénus et de Mars[30].
Les sphères hypothétiques imaginées par Freeman J. Dyson seraient situées au sein des écosphères, ouzones d'habitabilité continuelles (continuously habitable zone, ou CHZ) de la galaxie. Au sein d'un système solaire, la structure serait située à une distance d'environ uneunité astronomique (AU) de son étoile parente[31], soit approximativement à une distance similaire à celle de l'orbite de la Terre[12]. Cette orbite idéale est également celle favorable à l'état liquide de l'eau[32].
Si Dyson a pensé à une structure sphérique d'une épaisseur de 2 à 3 m seulement, soit une masse de 200 g/cm2, d'autres auteurs ont imaginé des conceptions différentes. C.N. Tilgner et I. Heinrichsen évoquent la possibilité d'uneforme annulaire[33]. La masse de cette structure serait donc similaire à celle de Jupiter, soit 2 × 1027 kg[31]. En comparaison, lamasse de la Terre vaut environ 6 × 1024 kg. Richard A. Carrigan considère en conséquence qu'il faut entre 3 000 et 4 000 années pour créer une pareille structure (en partant du principe que le taux d'accroissement démographique est de 1 % par an)[34]. Le coût énergétique pour bâtir une telle structure est équivalent à 800 années de radiation solaire selon Carrigan. Cette réalité fait que la construction d'une sphère de Dyson est initialement lente, en raison de la faible énergie disponible. Son édification augmenterait au fur et à mesure de sa capacité à capter toujours plus deradiation solaire, de manière exponentielle donc. Dans pareil cas, le délai total pour édifier cette mégastructure serait évalué à environ 103 années[35].
Afin de produire lagravité artificielle suffisante, la sphère doit être en rotation autour de son étoile parente. Mais le taux de rotation induit une contrainte mécanique énorme, la déformant en unsphéroïde oblong. Ainsi, même si l'intégrité de la sphère n'était pas compromise, seules les régions proches de son équateur devraient être habitables. Sur ce point, l'idée de Dyson a été critiquée. Papagiannis (1985) a démontré par le calcul qu'une coquille sphérique rigide ne peut être construite, compte tenu de la force gravitationnelle, de la pression des rayonnements solaires et des effets centripètes. Suivant ce raisonnement, Papagiannis considère que seul 1 % de la lumière émise par l'étoile parente pourrait être captée[36],[37]. Une sphère de typeII serait par ailleurs instable, car la moindre collision, avec unastéroïde ou unecomète par exemple, causerait une dérive de la structure et, même, un effondrement sur son soleil[3]. L'instabilité d'une sphère de Dyson, le fait qu'elle dériverait très certainement par rapport à son orbite idéale, constitue une autre critique de l'hypothèse de Dyson[37],[34].
Une étoile contenue dans une sphère de Dyson ne serait pas directement visible de l’univers extérieur, mais la sphère émettrait par elle-même une quantité équivalente d’énergie sous forme de lumièreinfrarouge à cause de la transformation du rayonnement de l’étoile en chaleur ; c'est donc une source observable de« radiation infrarouge d'origine artificielle » selon l'expression du mathématicien. Jun Jugaku estime que même si un centième de l'énergie de son soleil est utilisée par la sphère, et si cette dernière est maintenue à une température de300 K, alors elle devrait être facilement détectable puisque samagnitude la rendrait observable parphotométrie infrarouge à la longueur d'onde de 12 µm[38]. De plus, comme les sphères de Dyson seraient composées de matière solide au lieu de gaz chauds, leurspectre d’émission ressemblerait plus au spectre d’uncorps 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 descivilisations extraterrestres avancées, mais les résultats sont encore sujets à caution[39]. Selon Viorel Badescu, la température ambiante de la sphère doit être proche de celle du corps humain. Sa conception doit aussi permettre le meilleur rendement possible de production d'électricité. Sonrayon doit donc dépendre de la température ambiante recherchée[40].
La sphère de Dyson peut être un essaim d'habitats artificiels et de mini planètes capables d'intercepter l'essentiel de l'énergie radiée par l'étoile parente. L'énergie solaire captée (à une unité astronomique, elle équivaut à 1 361 W/m2[30]) peut être directement convertie par divers procédés tels que : serres, chauffage, cellules photovoltaïques, entre autres procédés. En vertu de laseconde loi de la thermodynamique, l'excédent d'énergie doit être rejeté dans l'espace alentour ; la température de la sphère devrait donc atteindre en surface 200 à300 K. En vertu duprincipe de médiocrité, l'exemple du Système solaire doit être pris comme le seul référent théorique[31]. L'utilisation efficace de l'énergie de l'étoile serait donc accomplie et le signe visible tient dans le fait que la température de la sphère est beaucoup plus faible que la température effective de son étoile. L'efficacité thermodynamique (notée « η ») de la sphère (notée « DS ») par rapport à la température (« T ») se formule ainsi :. La sphère de Dyson doit donc absorber le maximum de la radiation solaire dans le visible et émettre dans lalongueur d'onde infrarouge la plus élevée du spectre[41].
Dans son article de 1966, Dyson a évoqué la possibilité que la biosphère artificielle puisse se déplacer, et, ainsi, permettre à la civilisation la contrôlant de voyager d'un système solaire à un autre. La sphère permettrait ainsi de puiser l'énergie nécessaire à unemigration interstellaire. Un déplacement à une vitesse de l'ordre de2 000 km/s n'utiliserait que 40 % de la radiation solaire captée. Le carburant proviendrait d'une masse équivalente à celle de Jupiter, embarquée au sein de la sphère, masse qui permettrait de naviguer ainsi pendant un million d'années. Une civilisation si avancée atteindrait une étoile en cent mille ans, étant donné qu'en moyenne il y a une étoile toutes les troisannées-lumière. L'étoile embarquée entrerait alors en interaction avec l'étoile visitée, créant une nouvelle poussée permettant de continuer le voyage[42].
Viorel Badescu et Richard Brook Cathcart évoquent également la possibilité que la sphère serve de « moteur stellaire » (stellar engine)[43],[44]. Il a été également envisagé un déplacement au moyen devoiles solaires[37].
Le paradoxe de Fermi est un questionnement quant à l'absence de signes d'une civilisation extraterrestre, alors même que l'Univers est ancien et que le nombre de mondes abritant l'intelligence devrait donc être élevé. Plusieurs solutions ont tenté d'expliquer ce paradoxe, ce « grand silence ». Au moyen de son hypothèse de biosphères artificielles, Dyson pense qu'une civilisation detypeII n'aurait aucun besoin de quitter son étoile d'origine. Grâce à une sphère de Dyson enserrant son soleil, elle pourrait en capter toute l'énergie nécessaire, sans avoir à explorer la Galaxie. Les extraterrestres pourraient tout aussi bien rester chez eux pour des raisons philosophiques, ou parce qu'ils auraient développé un puissant environnement virtuel dans lequel ils vivraient totalement[45].
Dans un article de 1966, intituléThe Search for Extraterrestrial Technology, Dyson considère que la meilleure preuve d'une activité extraterrestre passe par la recherche de signestechnologiques, et non par celle des signaux intelligents :« c'est la technologie, et non l'intelligence que nous devons rechercher » explique-t-il. Or, en raison de l'immensité de l'espace,« la technologie que nous avons le plus de chances de détecter est celle qui s'est accrue au cours du temps, jusqu'à atteindre une extension importante ». Selon Dyson, trois règles en la matière sont à prendre en compte. Premièrement, on doit établir les caractéristiques des plus grandes activités artificielles imaginables. Cette technologie doit être recherchée au sein du cadre des lois physiques, sans tenir compte des motivations sociétales et culturelles. Secondement, on ne doit envisager une technologie qu'à partir de ce que l'on connaît sur Terre des possibilités technologiques. Enfin, il faut ignorer la problématique du coût économique. Ce dernier ne s'envisage en effet que sur de courtes échelles de temps. En effet, si l'on part du principe qu'unecroissance économique extraterrestre serait semblable à la nôtre, et donc, progresserait d'au moins 1 % par an, ces problèmes seraient résolus dans une échelle de temps de l'ordre du millier d'années, ce qui est négligeable à l'échelle des temps astronomiques. En considérant la démographie et l'économie, lacroissance démographique est, par voie de conséquence, hors de contrôle pour des civilisations supérieures à la nôtre[46]. Dans un article de 1979, « Time Without End: Physics and Biology in an Open Universe », Dyson calcule que, au sein d'ununivers ouvert, la communication interstellaire entre civilisations peut continuer pour toujours, même après la disparition des astres produisant de l'énergie[47].
La recherche de civilisations extraterrestres utilise principalement l'outil statistique dit « équation de Drake », élaborée par le scientifique dumême nom en 1961. Richard A. Carrigan propose de la préciser en ajoutant la probabilité d'existence de sphères de Dyson, qu'il formule ainsi :, — « NDy » étant la fraction de biosphères artificielles dans la Galaxie alors que LDy est la durée de vie moyenne d'une sphère de Dyson ; « Lc » est la durée de vie moyenne d'une étoile. Carrigan précise que cette durée de vie peut être plus longue que celle d'une civilisation[48].
Après la publication de l'article de Dyson, plusieurs réactions ont suivi, dansScience, pointant le fait qu'une structure sphérique de cette taille engendrerait des problèmes mécaniques énormes. Dyson a répondu qu'il envisagerait surtout une collection lâche de plus de cent mille objets voyageant sur des orbites indépendantes dans une coquille d'environ un million de kilomètres d'épaisseur. Cet arrangement peut être considéré comme la sphère de Dyson de typeII alors que l'hypothèse d'une coquille solide serait plutôt le typeI[3]. Pour Richard A. Carrigan, une sphère de Dyson partielle (comme un anneau) serait un objet plus pratique à fabriquer qu'une sphère complète, comme celle pensée initialement par le mathématicien[35]. Il existe également une hypothèse sous forme de bulle.
L'idée initiale de Dyson (nommée « typeI » dans la littérature scientifique) est celle d'une coquille (shell), rigide et de faible épaisseur, enserrant une étoile. Pour Richard A. Carrigan, cette structure s'assimile à unplanétoïde[49]. Il s'agit donc d'une coquille uniforme solide autour de l’étoile, composée d'un revêtement intégral situé à une distance de l'étoile adaptée à larésistance du matériau. 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. Une version alternative consiste en une série de coquilles incurvées dont chacune ne bloque qu'une partie durayonnement solaire, ce qui permet d'en laisser une partie atteindre les planètes du Système solaire. Cette solution permet de sauvegarder la biosphère terrestre[50].
En réponse à une critique visant la stabilité et la résistance mécanique de ses sphères initiales, décrites dans son article de 1960, Dyson précise les caractéristiques de cette structure en essaim (swarm) dans son article de 1966. Permettant d'éviter les collisions et aptes à conserver uneorbite stable autour de son étoile, l'« essaim de Dyson » est composé d'un nombre d'objets défini par la formule : (nombre d'objets sur uneorbite terrestre basse ou 2 × 105 objets sur une orbite permettant de capter l'énergie solaire), répartis suivant une figure d'octaèdre. En réalité, les points de la figure complète seraient situés en des lieux spatiaux où la déformation gravitationnelle est la plus faible. L'ensemble forme une coquille sphérique, à la fois rigide et légère, d'une masse d'environ un cent-millième de la masse terrestre. La sphère afficherait donc unedensité de surface de 3 g/cm2, ce qui est tout à fait adéquat pour y fixer desréflecteurs solaires et pour supporter unchamp de gravité artificielle[51].
Richard A. Carrigan distingue la sphère de Dyson pure (intégrale, comme une coquille), de celle partielle, sous forme d'essaim. Cette seconde configuration est plus pratique et moins coûteuse selon lui[52]. Selon Bob Jenkin, la structure en essaim 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 deshabitations 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’orbites 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 leurs orbites 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 manièreincrémentale sur une longue période de temps et fournir de l’énergie utile pendant ce temps[53]. Pour M. D. Papagiannis, l'essaim est une hypothèse beaucoup plus réaliste que celle de la coquille, cependant une telle structure ne peut capter que 1 % de la radiation solaire[54]. K. G. Suffern compare l'habitabilité de l'essaim de Dyson par rapport à l'idée ducylindre O'Neill[55].
Un troisième type de sphère de Dyson, appelé « bulle de Dyson », est parfois considéré. Composée de « statites » (mot-valise de statique et satellite) qui flotteraient immobiles par rapport au Soleil englobé en utilisant la pression de la lumière, cette structure requiert une masse si faible qu’elle pourrait être construite à partir de la matière contenue dans un petitsatellite ou dans un grandastéroïde. 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[3].
Des auteurs ont proposé des structures de Dyson à l'échelle d'unegalaxie. Ce type de mégastructure utiliserait l'énergie totale radiée par les milliards d'étoiles formant la galaxie. Kardashev a proposé le premier l'idée qu'une civilisation dite de typeIII puisse mener des projets d'astro-ingénierie aux dimensions d'une galaxie. Cette hypothèse comprend aussi l'alternative selon laquelle la galaxie pourrait être peuplée de millions de sphères de Dyson individuelles. De telles mégastructures seraient visibles jusqu'à des limites très avancées de l'Univers visible. Certains auteurs (Annis, Zwicky), selon Richard A. Carrigan, établissent un rapport entre certains objets cosmologiques exotiques (tels lesquasars) et les sphères de Dyson galactiques. Carrigan évoque également la possibilité que les « bulles de Fermi » récemment détectées par le télescopeFermi, sorte de vide dans la lumière visible, aux dimensions considérables, soient des mégastructures permettant de capter l'énergie radiée par les étoiles environnantes. Plusieurs galaxies abriteraient de telles bulles de Fermi, dont, en particulier,M51, observée parSpitzer en 2008[56].
À la suite de la proposition de Dyson en 1960, de nombreuses recherches ont été effectuées[57],[30], mais aucune cible, jusqu'à 80 années-lumière, ne s'apparente à une sphère de Dyson. Des observations plus lointaines (10 000 à 20 000 années-lumière) ont également été infructueuses[58]. Si les sphères de Dyson existent, alors elles devraient émettre un rayonnement infrarouge semblable à celui d'uncorps noir de plusieurs centaines dekelvin. Dès 1966,Carl Sagan et Russel G. Walken préconisent l'observation des émissions infrarouges, dans une bande de 8 à 13 µm[59]. En 1984, Michael D. Papagiannis explique qu'il faut rechercher« de petits excès d'émissions infrarouges », les sphères de Dyson ne pouvant occulter que 1 % de la radiation solaire[60].
Selon C. N. Tilgner et I. Heinrichsen, deux problèmes se posent en ce qui concerne leur observation : la sensibilité du système de détection infrarouge doit être optimale et la confusion avec d'autres objets cosmologiques, tels des nuages de poussière, est possible[33]. Les conditions de détection doivent permettre de repérer un flux de 100 mJy d'unelongueur d'onde d'environ 60 µm. Tilgner et Heinrichsen pensent pouvoir détecter des sphères de Dyson en étudiant l'excès de diffusion infrarouge de leurs étoiles respectives. La luminosité infrarouge de ces dernières devrait en effet fluctuer de 0,1 % (7 µm) à 6 % (60 µm). Selon eux, le satelliteInfrared Space Observatory avec sonphotomètreISOPHOT est le meilleur outil pour détecter des possibles sphères de Dyson, car il observe la bande de 2 à 240 µm[61]. Selon Carrigan, comme pour Jun Jugaku, letélescope spatial IRAS, et en particulier sonspectromètre à basse résolution (LRS), est l'outil idéal pour une telle investigation[32]. Capable d'observer des sources infrarouges en dessous de600 K, l'IRAS couvre 96 % du ciel[62]. Pour Carrigan, la résolution angulaire du télescopeSpitzer est 10 à 20 fois plus efficiente que celle de l'IRAS alors que sa sensibilité est trois fois plus haute. Spitzer et le catalogueGLIMPSE (pour :Galactic Legacy Infrared Mid-Plane Survey Extraordinaire) sont les outils d'observation capables de poursuivre la recherche de possibles sphères de Dyson[35].
L'astronome Luc Arnold a montré qu'il serait possible de détecter des structures artificielles autour des étoiles, telles des sphères de Dyson, à l'occasion de recherches d'exoplanètes par laméthode des transits[21].
Les observations de V. I. Slysh (1985), utilisant les données infrarouges du télescope spatial IRAS, ont été menées sur 200 000 objets. Plusieurs sources d'émission ont été retenues et analysées, mais aucune ne peut être rapprochée avec certitude d'une sphère de Dyson. Les observations ont permis de conclure que de tels objets artificiels peuvent être confondus avec de minces nuages de poussière entourant lesgéantes rouges[41].Nikolaï Kardachev, M. Y. Timofeev, et V. G. Promyslov ont réalisé en 2000 de nouvelles observations au moyen de la base de données de l'IRAS. Ils n'ont également pu conclure quant à l'existence avérée de mégastructures semblables à celles décrites par Dyson[63].
Sur les 250 000 sources infrarouges détectées[49], trois candidates potentielles au titre de sphère de Dyson (« Quasi-Dyson Spheres », QDS) ont été détectées dans l’Univers connu grâce autélescope spatial IRAS (satellite astronomique infrarouge) et aux travaux de Jun Jugaku, professeur d’astrophysique à l'Université Tōkai, au Japon, en 2003[38],[64]. Jugaku et Nishimura ont utilisé le catalogue de Wolley etalii (1970) qui liste 1 744 systèmes solaires. Ils ont ciblé 887 étoiles de types spectrauxF,G etK et d'uneluminosité de classes IV, V et VI. Ils ont ensuite croisé ces données avec celles de l'IRAS Point Source Catalog (1988) et ont mis en évidence 458 étoiles émettant des radiations dans l'infrarouge lointain d'une longueur d'onde de 12 microns (12 µm). Près de 384 étoiles enfin ont été observées, avec une émission infrarouge supplémentaire ; 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 soient des sphères de Dyson[65].
Richard A. Carrigan parle, en ce qui concerne la recherche d'hypothétiques sphères de Dyson, d'« archéologie interstellaire » (cosmic archaeology)[52]. Selon lui en effet, de nombreux objets célestes possèdent des signatures infrarouges proches de celles attendues dans le cas d'une sphère de Dyson. Les phases de naissance et de mort des étoiles, les nuages de poussière, les étoiles naissantes (entourées de disques de poussière), certaines régions opaques, les étoilesvariables de type Mira, lesnébuleuses planétaires et enfin les étoiles de labranche asymptotique des géantes (AGB) peuvent être prises pour des sphères de Dyson. Carrigan cite deux autres objets qui risquent de perturber la recherche de signaux infrarouges hypothétiquement créés par des civilisations extraterrestres : la moléculeSiO et lesions hydroxyde (OH−) expulsés après la mort d'une étoile, et lesétoiles carbonées[64]. Carrigan a utilisé, en 2009, de manière combinée, le spectromètre à basse résolution du télescope spatial IRAS et le catalogue Calgary (qui compile 11 224 sources infrarouges) afin d'investiguer une région de température entre100 K et600 K[62]. En appliquant plusieurs filtres permettant d'affiner la recherche, Carrigan arrive à isoler 16 sources comme autant de candidates possibles à satisfaire aux propriétés d'une sphère de Dyson[32]. Toutes ces sources retenues se distribuent dans le plan galactique, jamais dans lebulbe. Finalement, trois de ces sources (IRAS 00477−4900,IRAS 02566+2938, etIRAS 19405−7851) ont un profil infrarouge proche de celui attendu. Carrigan conclut qu'on ne peut toutefois être assuré d'observer d'authentiques sphères de Dyson[66]. Il conseille que leprogramme SETI, au moyen duAllen Telescope Array (ATA),radioécoute ces 16 sources[62].
En 2015 et 2016 les étoilesKIC 8462852 etEPIC 204278916 connaissent des variations de luminosité laissant penser à une sphère de Dyson en construction[67],[68].
DansLes Vaisseaux du temps, deStephen Baxter, récit venant à la suite deLa Machine à explorer le temps d’H. G. Wells, le narrateur voyage dans un futur dans lequel les sphères de Dyson sont très répandues[69]. Ces structures spatiales se retrouvent dans divers récits de science-fiction : dansLe Vagabond (The Wanderer) (1964) deFritz Leiber, dansDeception Well (1997) de Linda Nagata, dansL’Anneau-Monde deLarry Niven, mais dont la stabilité est réfutée dansLes Ingénieurs de l'Anneau-Monde, chezFrederik Pohl etJack Williamson (Cuckoo, 1975–1983 etWall Around a Star, 1983), chez Bob Shaw (Orbitsville, 1975–1990),Tony Rothman (The World Is Round, 1978),Somtow Sucharitkul (Inquestor, 1982–1985),Timothy Zahn (Spinneret, 1985), James White (Federation World, 1988),David Brin (Heaven’s Reach, 1998),Peter F. Hamilton (L'Étoile de Pandore, 2004), et chezGregory Benford (Eater, 2000).Robert Silverberg dansAcross a Billion Years (1969) évoque une sphère de Dyson de typeII[70].
Dans la trilogieForerunner deGreg Bear (2011-2013), la sphère de Dyson est le moyen de sauver l'univers des Floods par le Didacte.
Divers auteurs de science-fiction ont apporté des modifications à la proposition initiale de Dyson. PourDan Alderson, une structure en double sphère, consistant en deux coquilles avec une atmosphère régnant entre les deux parties, serait plus adaptée à la vie spatiale. Il propose aussi l'idée d'un disque à la ressemblance d'unvinyle, avec le Soleil en son centre et couvrant une distance allant jusqu'aux orbites de Mars ou de Jupiter. Il peut aussi s'agir de sphères concentriques interconnectées, comme dans le cycle deCageworld (1982–1983) deColin Kapp et dansAsgard trilogy (1979–1990) deBrian Stableford. Pat Gunkel propose la construction d'une mégastructure nommé « topopolis (en) », ressemblant à unmacaroni, comportant un creux et enserrant le Soleil[3].Omale, deLaurent Genefort, est un monde créé sur le modèle d’une sphère de Dyson. Dans le roman « Le printemps russe » (Russian Spring) (1991) deNorman Spinrad, une sphère de Dyson prouve à l’humanité l’existence d’une civilisation extraterrestre très avancée. Le romanSpin (2007), deRobert 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.L'Éveil d'Endymion, dernier opus du « cycle d’Hypérion » deDan Simmons, décrit une véritable sphère de Dyson ayant surtout une fonction d'habitat. DansL'Étoile de Pandore (2004), dePeter F. Hamilton, on trouve deux étoiles entourées de sphères de Dyson, qui ont pour fonction d'éviter l'expansion de civilisations extraterrestres belliqueuses. EnfinFlashforward (1999) deRobert J. Sawyer y fait référence[3]. Dans la série de romans « Nous sommes Bob » (2018-2019), deDennis E. Taylor, une race extraterrestre veut construire une sphère de Dyson autour de son soleil natal[71].
Dans la sérieStar Trek : La Nouvelle Génération, l'épisode 4 de la saison 6 (Reliques (Relics)) présente une sphère de Dyson[3]. Le vaisseau spatialEnterprise-D découvre une sphère d'une taille comparable à celle de l'orbite d'une planète et, à sa surface, un vaisseau en perdition, leJenolen ainsi qu'un téléporteur bloqué en boucle depuis 75 ans. En le réactivant, ils font réapparaître le capitaineMontgomery Scott, ancien ingénieur en chef de l'Enterprise-A[72]. La sérieAndromeda présente deux sphères de Dyson, dans les épisodesIts Hour Come Round At Last etThe Widening Gyre[73]. DansCrest of the Stars, la capitale de l'empire humain, Lakfakale, est alimentée au moyen d'une sphère autour de son étoile[74].
Dans le jeu vidéoFreelancer, développé parDigital Anvil, les êtres extraterrestres appelés « Nomades » ont conçu une sphère de Dyson autour de l'étoile de leur système stellaire originel[75].
Dans le jeu vidéoStellaris, la construction de sphères de Dyson est rendue possible grâce à l'extension Utopia[réf. nécessaire].
Dans l'univers deMarvel Comics, la mutanteLila Cheney vit dans une sphère de Dyson[76].
Dans le jeu vidéoDyson Sphere Program, la construction d'une sphère de Dyson est l'objectif principal[77].
Lefilm américain de2022Moonfall reprend ce concept et l'applique à laLune qui renferme unenaine blanche.
Daniel kokotajlo, philosophe, prospectiviste, ancien chercheur chezOpenAI et acteur influent des discussions sur la sécurité et l'alignement de l'IA générale et de la superintelligence artificielle[78],[79], a travaillé sur les scenarios à court terme, et les trajectoires potentielles de telles IA à plus long termes. Il estime qu'une IA de typesuperintelligence aurait pour se développer besoin d'énormes capacités de calcul et donc un besoin exponentiel en énergie, qui l'amènerait à terme à devoir exploiter une étoile, ce qui pourrait se faire via une sphère de Dyson. Après une progression extrêmement rapide des capacités de l'IA, c'est l'un des futurs possibles envisagés pour des civilisations de Type II sur l'échelle de Kardashev (capables de capter l'intégralité de l'énergie de leur étoile), par les scenarios du rapport "AI 2027" (coécrit par Kokotajlo et Scott), publié en avril 2025[80].
: document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.
| Système solaire |  | |
|---|---|---|
| Habitats | ||
| Ressources | ||
| Théories et théoriciens | ||
| Terraformation | ||
| Transport | ||
| Fiction | ||
Portail de l’astronomie
Portail de la science-fictionPortail de la vie extraterrestre et de l’ufologie
