引言
從砍樹燒柴，到電氣時代，隨著文明的發展，人類對於能量的需求與日劇增。1964年，前蘇聯科學家卡達爾肖夫(Nikolai Kardashev)提出了能量利用指數，也是目前廣為人知的卡達爾肖夫指數
，自然地將整個宇宙中的文明劃分成3個等級，也就是我們熟知的I、II、III級文明。
I級文明可以充分開采和利用自身行星的能源和能量，而II級文明能夠利用其恒星系統中的所有能量，難以想象的III級文明，則能夠掌控星系等級的能量。I型文明每秒大約產生10瓦特能量，而人類目前對應的數碼在10量級，也就是說，太陽在萬分之一秒內釋放的能量就足夠讓人類使用整整7年。目前人類對應的卡達爾肖夫指數在0.7左右，根據一些模型的估算(圖1)[1]，我們的卡達爾肖夫指數在2060年大約能夠達到0.7449，直到到這世紀末，可能會摸到0.78的大門。
圖1 Zhang等人2023年對人類未來的卡爾達肖夫指數變化進行了預測。圖片來源：doi: 10.1038/s41598-023-38351-y, figure 4c
但是，思維是沒有盡頭的，身為蟲子的我們也仍然可以嘗試想象更高等級的文明將如何開采和利用能源。
比如，戴森球。
1、什麽是最正宗的戴森球
戴森球的概念源於戴森（Freeman Dyson）在1960年發表的論文，戴森認為，隨著技術文明對能量的需求的增長，其對能量的需求必然有一天會膨脹到要利用主星「全部」的能量輸出，此時就有必要建造能夠攔截和收集母恒星發出的所有能量的軌域結構[2]。當然，在探索地外文明話題逐漸熱門的五六十年代，戴森的重點並不是探討這樣的軌域結構應該是什麽樣或者如何建造，而是是否能夠透過某種方式在茫茫星海中找到它們。
我們在影視中看到的戴森球通常會被金屬質感的巨大鋼筋結構全部包裹，科技感十足（圖2）。但是很遺憾，從力學上講，殼體內部會產生重力相互作用，強大的牽扯力會使整體結構不夠穩定
，不太可能作為戴森球的建造方案。當然戴森也深知這一點，他在文章裏都是以「殼」（shell）或者生物圈(biosphere)這樣的名詞描述，形式上是由一個松散的集合或一群物體圍繞恒星在獨立的軌域上執行。
圖2 戴森球的藝術想像圖。圖片來源：space.com
在一個文明從I級向著II級跨越的過程中，首先著手的工程可能是低配版的戴森「環」(Dyson Ring)
（圖3左上角）——透過一系列搭載太陽能接收器的衛星來接收能量。它們的表面積要盡可能的大，並且這些器材將共享一個軌域。隨著技術的發展，這一戴森環將逐漸密集，更多的戴森環將被建立，這在技術上會更加復雜，各種結構之間也會帶來各種擾動，但對於II級文明而言，這一切都不是難題。隨著衛星數量逐漸增多，「戴森雲」(Dyson swarm)
慢慢建成（圖3右上角），實作版本從「標配」到「頂配」的升級。
戴森泡（Dyson Bubble）
或許是一種更現實的設計（圖3左下角）。它雖然也是由多個獨立的衛星組成，但這些衛星不需要圍繞恒星時刻運動。我們知道，當太陽光子到達物體表面時，會產生一定的輻射壓
。先進的文明可以讓這些衛星的巨大太陽帆產生的輻射壓於來自母星的重力相平衡，從使得衛星懸浮在固定位置。對比前一種結構，這種結構不會在內部時刻存在巨大應力，也不必達到固定結構的戴森殼所需要的超大質素，半徑一個天文單位的戴森泡僅需月球質素的350分之一的物質就能完成建造
，也就是智神星，這顆太陽系小行星帶中質素排名第三的星體的分量。
當然我們也不能排除真有智慧文明能夠克服重重困難，制造出環繞恒星的均勻球殼（圖3右下角），實作百分百攔截恒星的能量輻射。但是光是所需要的材料數量就令人望而卻步了，這就交給未來的土木工程專業學生去研究吧。
圖3 戴森球的幾種可能結構。圖片來源：medium.com
2、
戴森球的探索發現
雖然我們人類目前距離能夠建造戴森球的技術還十分遙遠，但茫茫宇宙中難道就不會有已經建造出戴森球的高級文明存在嗎？它們如果存在，我們又該如何去尋找和發現它們呢？很遺憾，目前我們還不能駕駛飛船遨遊全宇宙，去跟那些高級文明直接問好，只能透過我們的各種望遠鏡來「遠觀」。當我們瞪大眼睛仔細搜尋時，那些神秘的戴森球應該長什麽樣子？
對於戴森環、戴森雲的結構，巨大的太陽能面板在經過恒星面前時會遮蔽恒星的輻射，產生亮度變化的凹坑。如果觀測到這樣異常的光變也許在暗示戴森球的存在。
另一方面，戴森球是專門設計來收集能量的，會優先吸收波長短能量密度高的可見光波段和紫外波段的輻射
。根據熱力學定律，在這一能量轉換的過程中，戴森球會在較長的紅外波段無法避免地產生廢熱，最終導致這顆恒星紅外波段流量異常升高。因此，在我們這些遠處的觀察者看來，戴森球應該是個紅外波段異常明亮，而其他波段都非常暗淡的奇怪天體
。
壞訊息是我們沒有戴森球建造經驗，所並以不知道亮度和光譜的具體變化會怎麽樣。但好訊息是，一切皆有可能。戴森球探索並不需要專門的觀測器材，只要能覆蓋一定的紅外波段就可以嘗試搜尋。我們目前已經有了不同觀測器材累加超過數百萬的恒星測光和光譜數據，這些海量的數據裏也許就藏著戴森球的特征訊號。
2-1 稍顯遠古的新聞
2015年，在開普勒望遠鏡釋放的數據中，Tabetha S. Boyajian發現了一個很有可能的戴森球候選者，開普勒星表編號為KIC 8462852，隨後以發現者的名字命名它為塔比星(Tabby's Star)
。它還有一個有趣的小名叫 WTF，全稱為Where's The Flux，意思是「流量都去哪裏了」[3][4][5]。
塔比星距離地球大約1470光年，視星等為11.7等，我們透過一個簡單的雙筒望遠鏡就可以觀測到它，早在1890年，我們就已經知道它的存在了。
開普勒望遠鏡主要透過淩星法去發現系外行星，當行星從主星前方經過時，會導致亮度稍微降
低，這將會被敏銳的望遠鏡所捕捉到。對於塔比星，開普勒觀測到了成百上千的非周期性的亮度變化，而且其亮度變化非常大，有時會出現15%的亮度下降，有時甚至能夠達到22%(圖4)。然而行星經過主星表面帶來的亮度變化非常微弱，即便是木星大小也只能遮擋1%的輻射
，因此如此劇烈的亮度變化肯定不是系外行星造成的。並且行星的軌域是周期性的，塔比星的亮度變化卻毫無規律可言
。當然此前人們也發現過其他這樣光度會非周期性變化的恒星，但它們都是年輕恒星，擁有巨大的塵埃盤，塵埃盤的運動導致了它們的亮度變化。而對於塔比星，其紅外和亞毫米波段觀測顯示，它並沒有塵埃盤存在！更奇怪的是，檢查了1890年以來的所有觀測結果後，天文學家們發現，這顆塔比星一直在持續地變暗，振幅大約為每年0.34%左右
。
我們的理論必須同時解釋這些短時的光變和長期的變暗，剩下的可能性還有什麽？一些天文學家提出，這也許並不是一種「自然」的結果，這也許是未知的高級外星文明建造的某種足以遮蔽恒星的巨型結構，比如——戴森球！讓我們好好看看這些光變曲線中的小凹坑，我們似乎可以想象眾多的「小衛星」正在規律運作，數量越來越多，一個完整的戴森球逐漸成型
。
圖4 塔比星流量數據。這張光線曲線圖顯示了這顆恒星的最大亮度隨時間變化的比例，以天為單位 圖中頂部的小數碼對應著開普勒主要執行的17個季度。圖片來源： arXiv:1509.03622 figure1
這當然是一個振奮人心的想法，不過要真的證實它是戴森球要麻煩的多，其他證據和後續觀測必不可少。如此機會當然少不了SETI(地外文明搜尋協會)
的登場[6][7]。他們隨後用艾倫望遠鏡陣對準塔比星觀測了超過兩星期，期待要麽能從塔比星收到充滿智慧資訊的窄帶訊號
，要麽能捕風捉影，聆聽到超大規模航天器的推進器泄漏的強勁微波訊號
。但是很可惜，沒有任何一類訊號被證實。盡管後續還有接二連三的觀測，但始終缺乏完美的解釋。
2-2 近期訊息
就在今年的4月份，透過赫菲斯托斯專案組(Project Hephaistos)研究人員在銀河系內部發現了足足7顆疑似戴森球的天體
[8]。
赫菲斯托斯專案(Project Hephaistos)，以古希臘鐵匠之神命名，他為奧林匹斯眾神打造了許多精美的裝備（如戰車、武器，甚至是自動裝置）。和傳統尋找主動向我們發送訊號的SETI專案不同，赫菲斯托斯計劃專註於尋找外星技術的跡象。
長久以來，他們進行了不少探索工作。
2015年，研究團隊試圖在1000多個與銀河系相似的星系樣本中尋找能夠利用星系內相當部份恒星能量的文明，也就是三級文明，得到的初步結論是最多有0.3%
的比例存在[9]；2018年，他們利用Gaia DR1與RAVE DR5數據，在銀河系中搜尋幾乎完全被戴森球覆蓋的恒星[10]；2022年，他們對100秒差距（326光年）內的近三萬顆恒星進行了分析，繼續尋找只是部份被戴森球覆蓋的恒星[11]。但以往的這些嘗試都沒有找到可靠的候選體。
直到今年，研究團隊利用來自(Gaia, Global Astrometric Interferometer for Astrophysics)和WISE(Wide-field Infrared Survey Explorer)以及2MASS（Two Micron All Sky Survey）
巡天數據，並開發了一套專門的程式，綜合分析了五百多萬顆恒星的數據，來尋找那些有著異常明亮的紅外輻射奇特物件，這一過程需要多個過濾器的共同努力，並且還結合了摺積神經網絡
的方法來幫助篩選，確保它們的紅外輻射不來自於任何我們已知的天體物理過程，最終留下了7個戴森球候選體。
這7個候選體都發射過量的紅外線，與我們猜想的戴森球模型一致，那這7個就是真的戴森球嗎？還不一定，正如我們前面所說，需要排除一切儀器因素和物理因素才能確定。有人懷疑這是數據本身存在一定程度汙染，但是研究團隊仔細檢查後，發現最多只有兩個源被汙染。一種可能的物理解釋是，這些紅外輻射是他們周圍的溫暖的碎屑盤（warm debris disk）
發出的。然而這7個候選體都是M矮星，根據我們目前的觀測經驗，M矮星附近的碎屑盤是非常罕見的；並且他們的溫度和紅外輻射的占比都與典型的碎屑盤有所不同。
不管怎麽說，真相還需進一步觀測，我們可以期待後續更多的觀測數據，就算最後的結果證實它不是戴森球，這也是天文學領域內非常有趣的天體，可以豐富我們的認知。
3、戴森球已經在「造」了
最後，讓我們暢想一下未來。我們人類該如何建造我們的戴森球呢？
我們首先要解決的，就是軌域問題。在航天領域，人們已經在設想如何在太陽系建造戴森環的低配版本——戴森環了。2021年的國際空間軌域設計大賽（GTOC）首次聚焦「戴森球」的建造軌域問題，探索研究「戴森球」建造背後的數學力學問題
[12]。
賽題背景設定為距今100年後的2121年，人類開啟了「戴森球」建造計劃。任務是利用20年的時間，發射10艘探測母船連續探測小行星，釋放動力裝置使之可以「啟用」飛行，並聚集起來，最終形成12個環狀分布的軌域站（圖5左）。最佳化指標是盡可能提高「戴森球」軌域站的小行星質素並減小它們和太陽的距離，從而獲得最大的太陽輻射效率
。透過最佳化小行星探訪順序，最終是清華大學和上海衛星工程研究所聯隊最終將指標優勢擴大奪得第一名，冠軍團隊飛越了388顆小行星
（圖5右）。
圖5 左圖本屆比賽題目，右圖為冠軍團隊388顆小行星小推力轉移軌域。圖片來源：https://sophia.estec.esa.int/gtoc_portal/?page_id=782
而工程方面，雖然繞著太陽的戴森環還為之遙遠，但是環繞地球軌域的天基太陽能器材已經在準備當中了[13]。我們可以建造一系列帶有巨大太陽能板的衛星，搜集陽光並將其轉換成電能，並透過微波的方式傳達回地球(圖6)。與傳統的利用太陽能和風能的方法相比，它有兩個巨大的優勢。首先，將捕捉陽光的衛星放在太空中意味著我們在地球上不需要大片的土地來安裝太陽能電池板和風力發電場
。第二，
即使局部的天氣條件不理想，比如陰天或風力減弱時，我們也會有充足的能源供應
。而且目前更低的衛星發射成本使得這一想法觸手可及。
圖6 天基太陽能衛星工作原理設想圖。圖片來源：Institute of Physics
4、結尾
正如卡爾·薩根所言：「如果宇宙中只有我們，那就太浪費空間了。」
盡管我們尚未發現其他智慧文明的確鑿蹤跡，但我們有理由相信，自宇宙誕生以來，可能已經誕生了遠超地球科技水平的文明。戴森球正是我們對這些高度發達文明的一種技術猜想。要證實戴森球的存在極其困難，而建造它更是遙不可及。對於人類的未來發展，究竟是我們先找到戴森球的確鑿證據，還是地球上的人類先成功建造出戴森球？這不失為一個引人入勝的賭局。
參考文獻
[1] Zhang, A., Yang, J., Luo, Y. et al. Forecasting the progression of human civilization on the Kardashev Scale through 2060 with a machine learning approach. Sci Rep 13, 11305 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38351-y
[2] Dyson, F.J. Search for Artificial Stellar Sources of Infra-Red Radiation. Science 131 (3414), 1667–1668 (1960).
[3] LaCourse, T.S., Rappaport, S.A., Fabrycky, D., Fischer, D.A., et al. Planet Hunters X. KIC 8462852 - Where's the Flux? MNRAS 457, 3988–4004 (2016).
[4] Boyajian, T.S., LaCourse, D.M., Rappaport, S.A., Fabrycky, D., Fischer, D.A., Gandolfi, D., Szewczyk, A. Planet Hunters IX. KIC 8462852 – where's the flux? Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 457, 3988–4004 (2016).
[5] 中國國家天文-戴森球？銀河系最神秘的星是外星人所為嗎 https://mp.weixin.qq.com/s/UO5v3oWyj-DKFExdAVd0uw
[6] Harp, G.R., Richards, J., Shostak, S., Tarter, J.C., Vakoch, D.A., Munson, C. Radio SETI Observations of the Anomalous Star KIC 8462852. Astrophysical Journal 825, 155 (2016).
[7] Schuetz, M., Vakoch, D.A., Shostak, S., Richards, J. Optical SETI Observations of the Anomalous Star KIC 8462852. Astrophysical Journal 825, L5 (2016).
[8] Suazo, M., Zackrisson, E., Mahto, P.K., Lundell, F., Nettelblad, C., Korn, A.J., Wright, J.T., Majumdar. S. Project Hephaistos – II. Dyson sphere candidates from Gaia DR3, 2MASS, and WISE. MNRAS 531, 695–707 (2024).
[9] Zackrisson, E., Calissendorff, P., Asadi, S., Nyholm, A. Extragalactic SETI: The Tully-Fisher relation as a probe of Dysonian astroengineering in disk galaxies. Astrophysical Journal 810, 23 (2015).
[10] Zackrisson, E., Korn, A.J., Wehrhahn, A., Ritter, A. SETI with Gaia: The observational signatures of nearly complete Dyson spheres. Astrophysical Journal 862, 21 (2018).
[11] Suazo, M., Zackrisson, E., Wright, J.T., Korn, A., Huston, M. Project Hephaistos - I. Upper limits on partial Dyson spheres in the Milky Way. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 512, 2988 (2022).
[12] 賽先生-如何建造「戴森球」？國際空間軌域設計大賽設下全球擂台
[13] 中國物理學會期刊網-向太空要能量
來源：中國科學院國家天文台
原標題：戴森球的探索與現實
編輯：二分
