Nel 1960 il fisico Dyson propose un modo per individuare nella Galassia delle civiltà extraterrestri molto avanzate.
Alte intensità d'energia, dovrebbero finire di colonizzare il loro sistema solare e costruire una sfera intorno alla loro stella per utilizzare tutta l'energia irradiata. Negli ultimi anni, un ricercatore del FermiLab si è impegnato ad individuare queste "Sfere di Dyson". Il nome di Dyson è familiare per tutti gli studiosi di fisica delle particelle elementari, i cosmologi e gli specialisti in astronautica. Il concetto ha fatto fortuna sotto il nome di sfera di Dyson ed esso è stato popolare nei libri di Carl Sagan, come ad esempio Cosmos. Questa idea è spesso menzionata nelle discussioni sulla classificazione delle civiltà, come è stato proposto negli anni sessanta del secolo scorso dal radio astronomo Nicolai Kardashev. Questo scienziato russo aveva distinto tre stadi e quindi tre tipi di civiltà possibili: Scala di Kardashev: Il livello tecnologico di una civiltà.
Storia
Nel suo articolo "Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation" (Ricerca di sorgenti stellari artificiali nella radiazione infrarossa) pubblicato nel 1959sulla rivista Science, Dyson teorizzò che delle società tecnologicamente avanzate avrebbero potuto circondare completamente la propria stella natia per poter massimizzare la cattura di energia proveniente dall'astro. Rinchiusa così la stella, sarebbe possibile intercettare tutte le lunghezze d'onda del visibile per inviarle verso l'interno, mentre tutta la radiazione non utilizzata verrebbe mandata all'esterno sotto forma di radiazione infrarossa.
Da ciò consegue che un possibile metodo per cercare civiltà extraterrestri potrebbe essere proprio la ricerca di grandi fonti di emissione infrarossa nello spettro elettromagnetico.
Uno spaccato di uno scudo di Dyson ideale - una variante dell'originale sfera di Dyson - con un raggio di 1 UA
Una sfera di Dyson è una sfera di origine artificiale e di raggio pari a quello di un'orbita planetaria. La sfera consisterebbe di un guscio di collettori solari o di habitat posti attorno alla stella. Questo, oltre ad essere un modo per raccogliere un'enorme quantità di energia, permetterebbe di creare uno spazio vitale immenso. Una sfera di Dyson posta nel sistema solare, con un raggio di 1 UA (cioè la distanza media fra Terra e Sole, pari a circa 149 600 000 km) avrebbe come minimo una superficie pari a 2,72 · 1017 km², all'incirca 600 milioni di volte l'area della superficie della Terra. Il Sole emette una potenza energetica dell'ordine di 4 · 1026 W, della quale la maggior parte potrebbe essere disponibile per una utilizzazione pratica.
Dyson originariamente calcolò che c'è abbastanza materia nel sistema solare per creare un guscio dallo spessore di almeno tre metri, ma la sua dovrebbe essere una sovrastima poiché la maggior parte della materia nel sistema solare è composta da idrogeno ed elio, inutilizzabili come materiale di costruzione (almeno allo stato attuale di conoscenza). Questi elementi potrebbero eventualmente subire un processo di fusione nucleare che li converta in elementi più pesanti, ma questo vorrebbe dire una civiltà in grado di padroneggiare a proprio piacimento la fusione nucleare per la sintesi di elementi chimici anche pesanti, ovvero di padroneggiare lo stesso processo che permette alle stelle di produrre energie: a questo livello di tecnologia, quindi, la sfera di Dyson diventerebbe superflua.
Se si assume che tutti gli elementi più pesanti dell'elio siano utilizzabili (una lieve esagerazione), allora i pianeti interni sarebbero interamente utilizzabili, e altrettanto la fascia asteroidale.
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C'è incertezza riguardo l'utilizzabilità dei pianeti esterni. Giove e Saturno consistono principalmente di idrogeno ed elio, con circa il solo 0,1% di altri materiali. Riguardo Giove si presume che abbia un nucleo roccioso di massa all'incirca 10-15 volte la massa totale della Terra, e Saturno probabilmente contiene un nucleo più piccolo di circa 3 volte la massa Terrestre. Urano e Nettuno sembrano principalmente fatti di roccia e ghiaccio, con circa il 15% di idrogeno, quindi una stima approssimativa dovrebbe portarci a considerare circa il 50-70% di massa usabile. Plutone sembra essere attorno all'80% di massa utilizzabile.Oggetto astronomico Massa (1024 kg) Mercurio 0,33022 Venere 4,8690 Terra 5,8742 Luna 0,0735 Marte 0,64191 Asteroidi circa 0,002 Totale 11,78733
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Oggetto astronomico Massa (1024 kg) Massa utilizzabile (1024 kg, stima approssimativa) Giove 1898,8 58 Saturno 568,41 17 Urano 86,967 43 Nettuno 102,85 51 Plutone 0,0129 0,01 Oggetti della Fascia di Kuiper circa 0,02 0,016 Totale 2657,06 circa 170
Il sistema interno contiene abbastanza materiale utilizzabile per una sfera di Dyson. Se si assume un raggio di 1 UA, ci sarebbero circa 42 kg/m² sulla sfera. Questo è probabilmente un numero troppo basso perché sia realistico costruire una massiccia sfera di Dyson di Tipo II, ma probabilmente abbastanza per costruirne una di Tipo I che invece ha la massa concentrata negli habitat ed in cui la maggior parte delle superfici è costituita da vele solari e recettori, componenti che presumibilmente sarebbero piuttosto sottili. Con materiale extra proveniente da sistemi esterni, diciamo circa 600 kg/m², avremmo abbastanza materia per costruire una sfera più pesante (se fosse tutta di ferro, dovrebbe essere spessa circa 8 centimetri, e se fosse di diamante circa 20 centimetri).
La proposta originaria prevedeva che avrebbero dovuto esserci collettori solari posizionati intorno a tutta la stella, per assorbire la luce stellare, ma non presumeva che questi collettori avrebbero potuto costituire un guscio continuo. Piuttosto, il guscio sarebbe consistito di strutture orbitanti indipendenti, ossia un numero complessivo di oggetti superiore a 10.000 e distribuiti lungo uno spessore radiale di un milione di chilometri.
Una variante della sfera di Dyson è il cervello Matrioska, in cui la struttura viene ripetuta in più sfere concentriche, di cui ciascuna sfrutta l'energia ancora utilizzabile dispersa all'esterno dalla sfera più interna.
Molti autori di fantascienza hanno interpretato questo concetto visualizzandolo piuttosto come un guscio solido che racchiude completamente la stella e che di solito presenta una superficie interna abitabile, impadronendosi del termine "sfera di Dyson" per utilizzarlo in numerosi romanzi. La prima apparizione di questa interpretazione sembra essere quella del romanzo di Robert Silverberg, La civiltà degli eccelsi(Across a Billion Years, 1969), ritrovandola identica nel romanzo La sfera di Dyson (The Starless World, 1978) di Gordon Eklund ispirato alla serie classica di Star Trek e nel romanzo La sfera spezzata (Shattered Sphere, 1994) di Roger MacBride Allen. I problemi di questa interpretazione sono due: il materiale per la costruzione della sfera dovrebbe essere resistentissimo, molto più di qualunque cosa esistente o anche immaginata fino ad ora; inoltre, la forza di gravità della stella agente sulla sfera avrebbe una media di zero: come risultato la sfera si comporterebbe come se la stella non esistesse, ed andrebbe quindi tenuta in posizione da razzi o altri dispositivi per non "volare via" (e sbattere contro la stella con la parete interna).
Dyson stesso, del resto, ha ammesso che l'ispirazione originale gli era venuta dal romanzo di fantascienza Il costruttore di stelle (The Star Maker) di Olaf Stapledon, scritto nel 1937. Stapledon, a sua volta, potrebbe aver avuto l'idea da J. D. Bernal, anch'egli fonte diretta di ispirazione per Dyson. Bernal descrisse alcune colonie spaziali sferiche in The World, the Flesh, and the Devil del 1929.
