台研究稱外星文明理論上可於黑洞周圍出現 人類或可探測其能源消耗

史上最長壽科幻電視劇《異世奇人 (Doctor Who) 》中,被稱為時間領主的外星人從捕獲的黑洞心獲取力量,為其星球和時間旅行技術提供能源。最新刊於《皇家天文學會月刊》的研究則指,高度先進的外星文明理論上可在黑洞周圍建造稱為戴森球 (Dyson Sphere) 的巨型結構,利用當中相當於太陽 10 萬倍的能源,或為人類提供一種方法來檢測外星人社群的存在。

如果人類能源需求繼續增長,當能源消耗接近甚至超過地球可用的總能源時就會出現臨界點。早在 1960 年,美國物理學家 Freeman Dyson 受英國科幻作家 Olaf Stapledon 啟發,提出任何想要生存的足夠先進文明都需要在恆星周圍建造巨大的結構,以利用其能量,亦即「戴森球」。

這些結構大多數都涉及眾多圍繞恆星運行或靜止不動的衛星,並必須將太陽能轉化為可用的能源,一個產生廢熱的過程。這種熱量出現在中紅外光譜中,紅外信號過剩的恆星現時也已成為尋找外星生命的關鍵目標。

領導是次研究的台灣國立清華大學天文學研究生蕭予揚則認為,人類可能一直在尋找錯誤的東西。他和團隊在研究中計算是否也可以在黑洞周圍使用戴森球。團隊分析了 3 種不同大小的黑洞,質量分別是太陽質量 5 倍、20 倍和 400 萬倍的黑洞,這個範圍的質量反映了已知由大質量恆星坍縮形成的黑洞下限和上限;團隊亦有分析更大質量的人馬座 A*,這個超大質量黑洞被認為潛伏在銀河系中心。

黑洞理論上可產生能源

黑洞通常被認為是能源的消費者而非生產者。然而,其巨大引力場可以通過幾個理論性過程產生能源,當中包括從黑洞周圍的氣體累積發出的輻射,旋轉的吸積物質盤慢慢落向事件視界,沿著黑洞的旋轉軸射出的物質和能源的相對論射流;以及黑洞可以失去質量並在此過程中釋放能量的一種理論霍金輻射 (Hawking radiation) 。

根據團隊計算,吸積盤、周圍氣體和黑洞噴流都可以作為可行的能源。團隊更指,僅來自有 20 個太陽質量的恆星黑洞吸積盤能源,相當於圍繞約 10 萬顆恆星的戴森球製造的能源量。如果利用超大質量黑洞,其所提供的能量可能還要大 100 萬倍。

如果真的有外星技術運作,人類就可能有辦法發現之。團隊指,在圍繞銀河系中的一個恆星質量黑洞中,如有高於已知金屬的熔點、超過 2,700°C 的「熱」戴森球發出的廢熱訊號,是可在紫外線波長下被檢測到。蕭補充,這些訊號可能會在來自各種望遠鏡的數據中找到,包括美國太空總署的哈勃太空望遠鏡和銀河演化探索者。

與此同時,一個在 2,700°C 溫度以下的「固態」戴森球,可被斯隆數字巡天或廣域紅外巡天探測器等紅外線探測到。後者對於尋找傳統的、基於恆星的戴森球紅外信號並不陌生,但與所有其他此類搜索一樣,暫時未找到任何結論性發現。

外星文明與黑洞關係

無参與研究、捷克帕拉茨基大學物理學家 Tomáš Opatrný 認為,使用吸積盤輻射的外星人特別聰明,因為吸積盤比傳統恆星中的熱核反應更有效地轉換能源,不過這些外星人也會較易被發現,因為會更易產生大量廢熱。因此,關心能源供應可持續性的外星人可能會使用緩慢燃燒燃料的小恆星。不過,這都是假設性質。

另一無参與研究的中央研究院天文與天體物理研究所天體物理學家井上允指,普通黑洞可以支持所謂的 II 型外星文明,其總能源需求與整個恆星系統的能源需求相匹配。他補充,超大質量黑洞可以為 III 型文明提供能源,其能源消耗相當於整個星系排放的能源。

井上允所指的不同文明等級源自卡爾達肖夫指數 (Kardashev Scale) 。該指數是根據一個文明所能夠利用的能源量級,來量度文明層次及技術先進程度,由蘇聯天文學家 Nikolai Kardashev 於 1964 年首先提出,用能源級把文明分成三個量級 I–III 型。 I 型文明使用在其行星所有可用的能源, II 型文明利用行星所圍繞的恆星所有能源, III 型文明則利用所處星系的所有能量。一般認為人類文明現在接近但尚未達到 I 型文明。

來源:
Science, Black holes surrounded by massive, energy-harvesting structures could power alien civilizations, 16 August 2021

報告:
Hsiao, T.Y.Y., Goto, T., Hashimoto, T. & et al. (2021). A Dyson sphere around a black hole. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 506, Issue 2, September 2021, Pages 1723–1732. doi: 10.1093/mnras/stab1832

文/Alan Chiu

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