Esferas de Dyson y Mundos-Anillo: ¿es posible construir una planta de energía del tamaño de una estrella?

Las esferas de Dyson y los anillos orbitales han sido durante mucho tiempo elementos icónicos de la ciencia ficción. Estas megaestructuras hipotéticas podrían rodear por completo un planeta o una estrella. La esfera de Dyson fue concebida como una colosal cáscara hueca que absorbería toda la energía de su estrella central para el uso de la humanidad. El anillo orbital, por otro lado, es una estructura similar en la que los humanos podrían vivir en su superficie interna, aprovechando la energía del astro en su centro. Hasta hace poco, los físicos consideraban estas ideas inviables: la gravedad inevitablemente destruiría tales construcciones. Sin embargo, un científico escocés ha demostrado que estas estructuras podrían mantenerse estables bajo ciertas condiciones.

El autor de este hallazgo es Colin McInnes, profesor de ingeniería y director de la Cátedra James Watt en la Universidad de Glasgow. McInnes confiesa que su interés en estos conceptos surgió en su época de estudiante, después de leer la serie de novelas Mundo-Anillo de Larry Niven.

La idea de una gigantesca esfera alrededor de una estrella fue descrita por primera vez por el físico Freeman Dyson en 1960 en la revista Science. Para construir una estructura así en el Sistema Solar, se necesitaría una cantidad de material comparable a la masa de Júpiter. Según la propuesta de Dyson, la esfera se situaría a dos unidades astronómicas del Sol, es decir, el doble de la distancia de la Tierra a su estrella. A pesar de sus enormes dimensiones, la cáscara de la esfera solo tendría unos pocos metros de grosor, suficiente para recolectar toda la energía solar. Dyson creía que el crecimiento incesante de las necesidades tecnológicas llevaría inevitablemente a la construcción de tales infraestructuras.

Si civilizaciones alienígenas avanzadas ya han construido esferas de Dyson, los astrónomos podrían detectarlas. Aunque estas estructuras absorberían la mayor parte de la luz visible de su estrella y aparecerían como manchas oscuras en el espacio, también se calentarían, irradiando el exceso de energía en forma de radiación infrarroja.

Sin embargo, la idea presentaba un problema grave. Según el teorema de Newton, la suma de las fuerzas gravitatorias dentro de una esfera hueca es cero. Esto significa que incluso una ligera desviación de la estrella respecto al centro de la esfera, causada por imperfecciones en la construcción o factores externos, generaría fuerzas gravitacionales desiguales. Las tensiones mecánicas resultantes, como se mencionó antes, provocarían inevitablemente el colapso de la estructura.

Dificultades similares se presentaban en las construcciones gigantes en forma de anillo descritas en las novelas de Larry Niven. Cualquier anillo que orbitara una estrella o un planeta perdería estabilidad: el más mínimo desequilibrio gravitacional haría que se desplazara, lo que eventualmente conduciría a su colisión con el astro central.

Para encontrar una solución, McInnes analizó un sistema con dos cuerpos de igual masa orbitando entre sí en trayectorias circulares. En este escenario, el científico estudió el comportamiento de un anillo cuya masa era lo suficientemente pequeña como para no influir significativamente en el movimiento de los dos cuerpos principales. El anillo podía situarse de tres maneras: rodeando ambos cuerpos, circundando solo uno de ellos o flotando en una posición separada.

Aunque este enfoque no es tan complejo como el clásico problema de los tres cuerpos (que aún carece de una solución analítica exacta), permitió un descubrimiento importante. En el plano orbital del sistema binario existen siete puntos de equilibrio especiales. Si el centro del anillo se coloca en cualquiera de estos puntos, toda la estructura puede permanecer estable. Estos puntos son análogos a los famosos puntos de Lagrange, donde las fuerzas gravitacionales de dos objetos masivos permiten que un tercer cuerpo de menor masa "flote" en equilibrio.

Al buscar la mejor ubicación para el anillo, McInnes identificó dos zonas críticas: regiones de posible colisión. Estas áreas indican dónde la estructura podría chocar con uno de los cuerpos del sistema. De los siete puntos de equilibrio, uno permite que el anillo rodee ambos cuerpos masivos, dos son adecuados para circundar solo uno de ellos y los otros cuatro ofrecen una posición estable sin rodear ningún objeto.

Sobre la línea recta que conecta los centros de masa de los dos cuerpos, McInnes descubrió cinco puntos de equilibrio. Otros dos puntos, a los que llamó "triangulares", se sitúan en una línea perpendicular que atraviesa el centro del sistema. La posición de estos puntos no es fija: varía en función del diámetro del anillo. Durante su investigación, McInnes también demostró matemáticamente la viabilidad de anillos estables orientados verticalmente, perpendiculares al plano en el que orbitan ambos cuerpos.

Resultados similares se obtuvieron para la esfera de Dyson, cuya masa es despreciable en comparación con los dos cuerpos principales del sistema. En sus cálculos, McInnes representó la esfera como una serie de anillos concéntricos de tamaño uniforme. La aplicación del teorema de Newton simplificó considerablemente el análisis matemático, revelando que cualquier objeto fuera de la esfera interactuaría con ella como si toda su masa estuviera concentrada en su centro.

En resumen, McInnes demostró que una esfera de Dyson podría existir de manera estable en un sistema binario si el cuerpo menor tiene un radio aproximadamente la mitad del mayor, siempre que ambos tengan la misma densidad.

Ahora, los astrónomos deberían observar con mayor atención los sistemas estelares binarios en busca de objetos con emisiones infrarrojas inusualmente altas. Estas estructuras teóricamente podrían existir no solo alrededor de pares de estrellas, sino también en sistemas estrella-exoplaneta o incluso exoplaneta-exoplaneta. Además, los cálculos no descartan la posibilidad de esferas de Dyson anidadas, una dentro de otra. Pero ese es un tema para nuevas investigaciones aún más detalladas.