L'umanità ha sempre guardato il cielo notturno con una certa dose di curiosità, mista alla paura dell'ignoto. Qualcosa di indescrivibile, scritto direttamente nella nostra natura, ci guida a perseguire l'esplorazione delle parti più profonde dell'universo. L'umanità ha già visitato la Luna e progetta di creare una colonia lì come gateway per ulteriori destinazioni nel Sistema Solare. Il nostro obiettivo più vicino come civiltà è stare sulla Luna e, in futuro, forse, colonizzare tutti i pianeti del nostro sistema stellare. Ma fino a che punto potremmo andare? Quali sono i limiti dello sviluppo di una civiltà? Quali insondabili conquiste potrebbe raggiungere l'umanità? La risposta potrebbe risiedere nella scala di Kardashev. Credito immagine: Magdalena Osial Energia Nel 1964, l'astronomo Nikolai Kardashev definì il livello di sviluppo di una civiltà in termini di una scala di 3 livelli [1]. La sua scala era basata sull'energia. Ha assunto, abbastanza ragionevolmente, che più una civiltà è avanzata, più energia utilizzerà. Ha quindi diviso le civiltà in 3 classi di energia: Tipo I, che utilizza l'intera energia del suo pianeta ospite, tipo II, che utilizza tutta l'energia della propria stella, e tipo III, che raccoglie energia su scala galattica. Esiste anche una divisione di tipo 0, che è qualsiasi civiltà al di sotto del livello di tipo 1. Le soglie di consumo energetico per le 3 classi di civiltà sono le seguenti: tipo 0 (sotto 10¹⁶ W), tipo I (sopra 10¹⁶ W), tipo II (oltre 10²⁶ W) e tipo III (oltre 10³⁶ W) [2]. Recentemente altri astronomi hanno esteso la scala di Kardashev aggiungendo altri 2 tipi di civiltà: il tipo IV (10⁴⁶ W) e persino i tipi V-VII. Le civiltà dei tipi più elevati sarebbero ipoteticamente in grado di raccogliere l'energia di interi universi, se ciò fosse consentito dalle leggi della fisica. Quindi, in generale, le civiltà possono essere descritte e classificate in base al loro consumo energetico. Qualsiasi supposizione sulle capacità di civiltà di classi diverse sulla scala di Kardashev è puramente ipotetica: gli umani non hanno ancora incontrato altre civiltà nella galassia. Rappresentazione artistica di un'astronave che lascia una colonia lunare. Credito immagine: SpaceX Civiltà di tipo 0: civiltà in via di sviluppo La civiltà di tipo 0 è chiamata “pre-planetaria”. Utilizza una parte dell'energia totale possibile ottenuta dalle risorse proprie del pianeta, come i combustibili fossili o l'energia geotermica (e fonti esterne minori, ad esempio una piccola frazione di radiazione della stella ospite). Una tale civiltà è considerata primitiva sulla scala di Kardashev, ma va detto che l'umanità attualmente è solo leggermente più vicina al Tipo I che al Tipo 0. Abbiamo appena iniziato a consumare quantità significative di energia rispetto all'intera energia disponibile sulla Terra (incluso tutto il combustibile nucleare, tutta la luce solare, tutto il vento, l'energia delle maree). Tuttavia, abbiamo fatto un “lavoro abbastanza buono” nello sfruttamento della maggior parte delle fonti energetiche non rinnovabili del nostro pianeta, come i combustibili fossili. Usando le ultime stime, l'umanità sarebbe da qualche parte intorno a 0,73 sulla scala di Kardashev [3]. Tieni presente che l'arco delle civiltà di classe 0 è enorme: dai batteri che utilizzano una piccola percentuale di energia dalle bocche geotermiche della luce solare, a una civiltà che utilizza significativamente più energia (ed è più avanzata) dell'umanità. Siamo ancora molto lontani dal finalizzare la nostra fase di tipo 0. Abbiamo fatto i nostri primi passi tecnologici verso le civiltà di Tipo 1: abbiamo già un'idea di come utilizzare grandi pezzi del potere della Terra. Da concetti così selvaggi come la creazione di enormi impianti di pannelli solari orbitali, a grandi fonti geotermiche, abbiamo un'idea approssimativa su come ottenere la maggior parte dell'energia disponibile sulla Terra. Gli ottimisti direbbero che l'umanità che raggiunge la classe di civiltà di Tipo I è solo una questione di quando e come esattamente, non se. Esiste un argomento pessimistico contro questo, chiamato ipotesi del “grande filtro” [4], ma questo è un argomento per un altro articolo. In breve, questa teoria afferma che la mancanza di civiltà altamente sviluppate osservabili nell'universo è la prova che esiste un meccanismo di “filtro” che impedisce alle civiltà di raggiungere il tipo I o tipi superiori. Esempi di ciò potrebbero essere malattie, cambiamenti climatici incontrollabili o poteri anche superiori. Se nulla ci impedisce di raggiungere il tipo I, ecco di cosa sarebbe capace una civiltà di tipo I. Tipo I: padroneggiare il nostro pianeta Le civiltà di tipo I sono in grado di utilizzare e immagazzinare l'equivalente di tutta l'energia del loro pianeta. Ciò include tutte le radiazioni che raggiungono il pianeta dalla stella ospite, l'energia geotermica, l'energia chimica e l'energia nucleare. Le risorse di una tale civiltà sono ancora molto limitate, ma una tale civiltà avrebbe il controllo completo sul proprio pianeta. Si noti che la scala di Kardashev non richiede necessariamente l'uso di energia solare o geotermica o nucleare: richiede solo che si ottengano livelli di energia equivalenti, quindi una civiltà può utilizzare l'antimateria o la fusione nucleare per ottenere tutta la sua energia, tralasciando completamente le fonti termiche o solari . Finché la civiltà può usare da 10^16 a 10^26 Watt di potenza, è una civiltà di Classe I [2]. Le capacità di una tale civiltà includerebbero cose come il controllo del clima e del tempo, o forse anche la tettonica a zolle, del loro pianeta ospite. Una tale civiltà avrebbe probabilmente sviluppato capacità di volo spaziale avanzate. Non possiamo stimare i percorsi esatti di sviluppo di una tale civiltà, ma possiamo stimare quanto segue sull'umanità: Al raggiungimento o durante la civiltà di Tipo I, dovremmo: Possedere capacità di volo spaziale avanzate nella maggior parte del sistema solare. I lanci di carichi utili sarebbero condotti da meccanismi avanzati (al momento, ascensori orbitali, catapulte orbitali o cannoni sembrano in qualche modo promettenti. Il nostro ultimo tentativo sono razzi riutilizzabili, ma una civiltà di tipo I potrebbe utilizzare attrezzature più avanzate per questo scopo). Piccole colonie potrebbero esistere sulla Luna o su Marte durante la civiltà iniziale di Tipo I. Durante gli ultimi stadi di tipo I, l'umanità avrebbe colonizzato la maggior parte del sistema solare con colonie avanzate autosostenibili. Questo passaggio successivo è cruciale per la progressione verso il Tipo II. Le nostre capacità di potenza sarebbero sufficientemente elevate da inviare segnali che potrebbero essere ricevuti da un'altra civiltà di tipo I in gran parte della galassia. Il prossimo passo nella scala di Kardashev sarebbe che una civiltà iniziasse a progredire verso il Tipo II. Una civiltà di tipo II sarebbe in grado di utilizzare l'energia equivalente alla sua stella ospite. All'inizio della progressione in questa fase, l'umanità possiederebbe un'energia equivalente a tutta la Terra. Questo potrebbe essere, come detto, gestito usando antimateria o fusione. Tuttavia, conosciamo solo un metodo praticabile per raggiungere i livelli di consumo energetico di Civilization II: raccogliere energia direttamente dalla stella ospite. Un modo per farlo sarebbe tramite una Dyson Sphere [5]. La sfera di Dyson è un'ipotetica struttura che circonderebbe l'intera stella e sarebbe coperta da dispositivi (come i pannelli solari, anche se ci aspettiamo che siano obsoleti quando l'umanità costruirà una tale struttura) che raccolgono energia da tutte le radiazioni della stella. Inizialmente, la costruzione sarebbe iniziata probabilmente costruendo un anello più piccolo, raccogliendo solo una frazione della radiazione della stella. Questo sarebbe stato successivamente ampliato per invadere l'intera stella. Questo è il percorso verso la civiltà di tipo II. A partire da ora, la nostra comprensione della fisica limita qualsiasi altro percorso per raggiungere tali livelli di disponibilità di energia. A meno che non esistano metodi ancora sconosciuti per generare spontaneamente antimateria, la nostra migliore possibilità è ricavare l'energia direttamente dalla radiazione della nostra stella ospite per raggiungere il Tipo II. Tipo II: Governatori del Sistema Solare Una civiltà di tipo II sarebbe quasi insondabile per noi. La loro tecnologia sarebbe considerata simile alla magia o alla magia. Per le civiltà di tipo II, solo alcune capacità possono essere affermate con relativa certezza: Le comunicazioni attraverso la galassia potrebbero essere facilmente stabilite, se esistessero altre civiltà di simile progresso. Ciò potrebbe essere effettuato utilizzando le onde radio attualmente utilizzate, ma è più probabile che utilizzi tecnologie più esotiche. Non è possibile affermarlo con certezza, ma non si può escludere che una tale civiltà acquisirebbe la capacità di modulare le onde gravitazionali alterando localmente lo spazio-tempo. Ciò consentirebbe loro di inviare trasmissioni su onde gravitazionali. Ad oggi, tali trasmissioni non sono state rilevate e non conosciamo alcun meccanismo che possa essere utilizzato per alterare lo spazio-tempo con questa scala energetica (le onde gravitazionali possono essere emesse dalla collisione di buchi neri e altri processi energetici, ma questi potrebbero mentire al di fuori del regno di tipo II). Tali civiltà possono anche utilizzare altre forme di comunicazione che ancora non comprendiamo. Una tale civiltà avrebbe un controllo da moderato a pieno sul loro sistema solare. I pianeti verrebbero probabilmente estratti per ottenere materiali per la costruzione della Sfera di Dyson. La civiltà potrebbe vivere sulla superficie della sfera di Dyson, poiché tutti i pianeti e gli asteroidi del sistema verrebbero convertiti in materiali per la sfera di Dyson. Se fossero state utilizzate fonti alternative di energia per raggiungere questo livello di avanzamento, e i corpi planetari esistessero ancora inalterati nel sistema, probabilmente sarebbero stati tutti terraformati per adattarsi ai processi di vita o di fabbricazione della civiltà. Sarebbe persino possibile per una tale civiltà alterare liberamente le orbite dei pianeti e degli asteroidi nel loro sistema, organizzandoli come ritenuto necessario. A meno che non si nasconda intenzionalmente o utilizzi metodi ancora sconosciuti di generazione di energia, una tale civiltà sarebbe facilmente rilevabile anche da civiltà meno avanzate nei sistemi stellari vicini. Ad esempio, qualsiasi emissione termica derivante dalla conversione inefficiente della radiazione stellare in altre forme di energia potrebbe essere rilevata utilizzando telescopi a infrarossi. Una sfera di dyson o anello di dyson sarebbe facilmente rilevabile a causa dei rapidi cambiamenti di luminosità della stella ospite quando viene oscurata da parti della struttura. Il viaggio interstellare sarebbe reso possibile. Man mano che la civiltà si avvicina al prossimo Tipo III, diventerà sempre più comune. Lo sviluppo di viaggi interstellari su larga scala sarebbe un requisito per la progressione al tipo III (poiché l'unico modo conosciuto per raccogliere energia su scala galattica è raccoglierla direttamente da tutte le stelle della galassia, o almeno dal buco nero supermassiccio centrale) . A questo livello di sviluppo, i viaggi interstellari sarebbero costretti a utilizzare tecniche esotiche. Non possiamo immaginare come sarebbero i viaggi di una tale civiltà. Possiamo speculare su tecnologie come il motore a curvatura di Alcubierre, che consente viaggi apparentemente più veloci della luce, o l'uso di wormhole per percorrere istantaneamente grandi distanze attraverso la galassia. Tuttavia, non abbiamo una comprensione concreta della fisica dietro questo tipo di viaggio interstellare, e quindi le nostre ipotesi si riveleranno probabilmente false. A questo livello di avanzamento, le civiltà potrebbero “infrangere” le leggi della fisica così come sono attualmente intese. Questo potrebbe essere fatto ad es. costanti fisiche che alterano localmente. Questa è una pura speculazione poiché non abbiamo mezzi per comprendere tali meccanismi ipotetici, tuttavia, la ricerca mostra che potrebbe essere possibile che alcune costanti della fisica cambino nel tempo [6]. Dal momento che non abbiamo alcuna comprensione e nessuna prova di tali processi ipotetici, è difficile affermare quali potrebbero essere i loro risultati, ma forse potrebbero essere utilizzati per generare energia localmente alterando la costante G attorno ai buchi neri o viaggiare rapidamente attraverso la galassia, anche se questo rimane per ora nel regno della fantascienza. Tipo III: una civiltà galattica Le civiltà di tipo III sarebbero incredibilmente avanzate. Avrebbero raccolto l'equivalente energetico di tutta la loro galassia. Nelle prime fasi dello sviluppo, una tale civiltà avrebbe colonizzato la maggior parte delle stelle della galassia e avrebbe iniziato a circondarle con sfere di dyson. Il viaggio interstellare sarebbe un banale evento quotidiano. Non abbiamo meccanismi noti per raccogliere energia su scala galattica se non raccoglierla convenzionalmente direttamente dalle stelle utilizzando sfere di Dyson o facendo esplodere artificialmente le supernovae e raccogliendo energia da queste violente esplosioni. All'inizio del suo sviluppo, una tale civiltà sarebbe molto facile da rilevare anche utilizzando la tecnologia di tipo 0. Se le supernovae fossero causate artificialmente su larga scala in una galassia, noteremmo un tasso insolitamente alto di supernovae in questa galassia usando i telescopi. Tali civiltà potrebbero anche “nutrire” le stelle in un buco nero e raccogliere l'emissione di fotoni risultante dal disco di accrescimento. Se le sfere di Dyson dovessero essere ampiamente impiegate in una galassia del genere, noteremmo rapidi cambiamenti nella luminosità delle stelle attorno alle quali le sfere di Dyson sono ancora in costruzione. La galassia “sfarfallerebbe” mentre le megastrutture di nuova costruzione oscuravano la luce delle stelle. Tuttavia, nelle ultime fasi dello sviluppo, tali civiltà sarebbero difficili da individuare: le loro azioni e la loro tecnologia potrebbero essere così incomprensibili per noi che non sapremmo nemmeno cosa cercare. Le trasmissioni radio sarebbero probabilmente un metodo di comunicazione antiquato e primitivo per una tale civiltà. In una fase avanzata dello sviluppo, tali civiltà potrebbero essere persino invisibili: dopo aver circondato tutte le stelle della galassia con le sfere di Dyson, la galassia diventerebbe oscura vista dall'esterno, poiché nessuna luce stellare potrebbe raggiungere l'esterno delle sfere di Dyson. Non abbiamo basi per discutere la tecnologia posseduta da tali civiltà, ma qui descriviamo alcuni meccanismi che sappiamo potrebbero essere utilizzati da tali civiltà su scala galattica: 1) Raccolta di energia direttamente dai buchi neri utilizzando i processi di Penrose [6]. Questo processo estrae energia dal momento di rotazione di un buco nero rotante. 2) Far diventare intenzionalmente supernova le stelle e raccogliere tutta la loro energia in una volta. 3) Interazioni materia-antimateria su larga scala. Non conosciamo alcuna fonte di antimateria abbastanza grande da fornire tali reazioni, ma ammassi di materia di dimensioni stellari potrebbero essere annichiliti con l'antimateria, rilasciando grandi quantità di energia nel processo. Conclusione: L'umanità ha appena iniziato il suo viaggio sulla scala di Kardashev. Potrebbe raggiungere il livello di civiltà di tipo I nelle prossime centinaia di anni, supponendo che non si verifichino eventi di “grande filtro”. Se l'umanità non muore nell'impatto di un asteroide, non viene spazzata via dalla superficie della Terra dai cambiamenti climatici, dall'aumento dei livelli degli oceani, dalla povertà, dalla fame o dalle malattie, potrebbe avere la possibilità di salire finalmente sulla scala di Kardashev. Una volta raggiunta la civiltà di tipo I, l'umanità si troverebbe di fronte a nuove sfide e nuove opportunità. Le società dovrebbero essere completamente ridisegnate per adattarsi a uno stile di vita multi-planetario, ma avremmo finalmente l'opportunità di esplorare, prima il nostro sistema solare, poi le stelle vicine e, se tutto va bene, la galassia. Questo articolo è un lavoro congiunto di Karol Masztalerz (Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Manchester) e Magdalena Osial (Facoltà di Chimica, Università di Varsavia) come parte del progetto Science Embassy. Credito immagine – Magdalena Osial. Riferimenti [1] M. M. Ćirković, Classificazione di Kardashev a 50 : un bel veicolo da margini di miglioramento,, Serbian Astronomical Journal, 2015, 191, 1-15 [2] G.A. Lemarchand, Rilevabilità delle attività tecnologiche extraterrestri, SETIQuest, 1994, 1, 3-13 [3]BP Statistical Review of World Energy 2019, recuperata da: https://www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/global/corporate/pdfs/energy-economics/statistical- review/bp-stats-review-2019-full-report.pdf (consultato il 25.08.2021) [4] D. Adler, Il grande filtro: una possibile soluzione al paradosso di Fermi, Astronomia, 2020, tratto da https://astronomy.com/news/2020/11/the-great-filter-a- possibile-soluzione-al-paradosso-fermi (consultato il 25.08.2021) [5] A. Mann, What is a Dyson Sphere?, Space.com, 2019, recuperato da https://www.space.com/dyson-sphere.html (consultato il 25.08.2021) [6] M.R. Wilczynska, J.K. Webb, M. Bainbridge, J.D. Barrow, S. Bosman, R.F. Carswell, MP Dąbrowski, V. Dumont, C.C. Lee, AC Leite, K. Leszczyńska, J. Liske, K. Marosek, C. Martins, D. Milaković, P. Molaro, L. Pasquini, Quattro misurazioni dirette della costante di struttura fine 13 miliardi di anni fa, La scienza avanza, 2020, 6(17). https://doi.org/10.1126/sciadv.aay9672 J. D. Schmittman, The Collisional Penrose Process, General Relativity and Gravitation Springer Science and Business Media LLC, 2018, estratto da https://arxiv.org/abs/1910.02800 (consultato il 25.08.2021)

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