Cylindre O’Neill et sphère de Dyson : des mégastructures pour coloniser l'espace ?

Matthieu Legouge Contributeur
07 juillet 2019 à 13h04
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Kalpana One
Kalpana One, une version moderne et légèrement plus réaliste du Cylindre O'Neill © Bryan Versteeg

Dans le cosmos, il y a un début et une fin à tout. De la genèse à la conclusion, dont nous ignorons presque tout, les étoiles suivent leur cycle de vie, du nuage moléculaire jusqu'au trou noir pour les plus massives, et notre Soleil n'est évidemment pas exempté de cette fin programmée.

En admettant que l'Humanité subsiste encore plusieurs centaines de millions d'années, nos descendants devront relever l'immense défi de la colonisation interstellaire ! Prospective, science-fiction ou anticipation, il n'empêche que des scientifiques se penchent déjà sur l'étude d'une colonisation théorique au-delà du système solaire.

La fin programmée des étoiles

Épuisant inéluctablement ses réserves de carburant par un phénomène de fusion nucléaire, en transformant au sein de son noyau l'hydrogène en hélium, notre chère naine jaune, sans laquelle la vie sur Terre ne serait jamais apparue, se transformera en une géante rouge lorsqu'elle sera âgée d'environ 10 milliards d'années. À ce stade, la zone habitable de notre système solaire ne sera plus la même qu'aujourd'hui et la vie sur Terre sera tout bonnement impossible.

The Sun in Ultra-HD
Notre Soleil, infiniment minuscule par rapport à des étoiles comme UY Scuti (la plus grande étoile connue de l'univers observable), connaîtra lui aussi sa fin programmée © NASA

Cependant, notre étoile, âgée actuellement de 4.6 milliards d'années, rendra la Terre invivable bien avant que sa taille ne soit démultipliée (en nous engloutissant au passage). Durant son cycle actuel, la luminosité du Soleil augmente de 7 % à chaque milliard d'années. Dans le pire des scénarios, la vie sur Terre pourrait s'éteindre d'ici 500 millions d'années en raison de la hausse considérable des températures. Si quelques espèces, notamment des bactéries et autres virus, peuvent encore résister quelques centaines de millions d'années, l'humanité aura quant à elle bel et bien été décimée, bien avant que les océans ne se soient littéralement vaporisés.

Vous vous en doutez peut-être, mais ce scénario catastrophe ne prend pas en compte le phénomène de réchauffement climatique dont nous commençons seulement à apercevoir les lourdes conséquences. Aujourd'hui, les principales raisons du réchauffement global font consensus au sein de la communauté scientifique : le forçage anthropique (émissions de gaz à effet de serre, déforestations), contrairement au forçage naturel (solaire et volcanique) et comme son nom l'indique, dû aux activités humaines.

Si le rêve le plus ambitieux d'Elon Musk ou de la NASA est, dans un futur proche, de poser les pieds sur Mars, il faudra néanmoins déménager et coloniser des régions bien plus lointaines pour laisser un espoir de survie à l'humanité lorsque le Soleil signera notre arrêt de mort, ou quand l'Homme aura causé sa propre perte.

Cela vous paraît fort improbable et vous doutez, avec raison, des capacités de l'Homo sapiens à relever un tel défi ? Mais en observant la Lune, Galilée s'imaginait-il Neil Armstrong ? Qu'aurait pensé Hippocrate, père de la médecine, l'œil dans un microscope face au monde cellulaire, ou à la médecine nucléaire ?

À l'échelle de l'Univers, peu de temps s'est écoulé de l'Âge de pierre à l'Époque contemporaine et ses sociétés industrielles, jusqu'à la révolution numérique, et l'Humanité disposent encore de nombreux millénaires pour devenir ce que les chercheurs nomment une « supercivilisation », autrement dit une civilisation qui a atteint un très haut niveau de développement technologique et qui est ainsi en mesure d'entreprendre une colonisation interstellaire.

De la fiction à la science

Au début du XIXe siècle, le progrès technologique associé à la première grande révolution industrielle change profondément le visage de la société et stimule l'imaginaire. Ainsi, des projections futuristes s'appuyant sur les progrès de la science n'ont pas tardé à se faire une place dans la littérature, on pense notamment aux précurseurs de la science-fiction que sont Jules Verne et H.G Wells. Si la SF n'est reconnue comme un genre littéraire à part entière qu'au milieu de XXe siècle, de nombreux auteurs imagineront le monde et les technologies du futur ; à l'instar des œuvres de Verne, un grand nombre de concepts illustrés dans ces ouvrages de SF seront réalisés par la suite.

Aujourd'hui, la SF fait partie intégrante de notre culture, grâce à la littérature, mais aussi et surtout au cinéma et plus récemment avec les jeux vidéo. Les artistes puisent leur inspiration dans les progrès réalisés dans le domaine scientifique tandis que la science se nourrit régulièrement de leur imagination débordante. Téléphones portables et tablettes, assistants vocaux, clonage d'animaux, voitures autonomes, robot humanoïde, voyage interplanétaire, intelligence artificielle, ou encore réalité augmentée, tous ces concepts et technologies (et bien d'autres) ont d'abord vu le jour sous forme de fiction, au cinéma, avec des films comme Star Trek, Minority Report, Terminator ou encore, plus récemment, I-Robot.

Interstellar

Les liens entre la fiction et la science sont parfois étroits et la colonisation spatiale est une thématique omniprésente dans les œuvres de SF. Comme nous venons de le voir, la colonisation spatiale n'est pas qu'une fantaisie à laquelle souhaitent se livrer les agences étatiques et les acteurs privés dans une atmosphère de compétition, d'elle dépendra peut-être la pérennité de la civilisation.

Les deux concepts de mégastructure que nous vous présentons aujourd'hui ont été directement inspirés par des œuvres de science-fiction et pourraient être, un jour, la clé de voûte pour une colonisation interstellaire.

La sphère de Dyson : capter l'énergie d'une étoile

Conceptualisée par le célèbre physicien Freeman Dyson via un article paru dans la revue Science en 1960, la sphère de Dyson est une mégastructure hypothétique et artificielle qui pourrait être mise en place autour d'une étoile dans le but de récupérer la majeure partie de l'énergie qu'elle produit.

Freeman Dyson en 2009
Freeman Dyson en 2009 © Eugene Richards

Cette idée de biosphère artificielle lui a été inspirée par la lecture du roman Star Maker d'Olaf Stapleton et ses « pièges à lumière ». À cette époque, la recherche d'une vie extra-terrestre bat son plein et le programme SETI (Search for Extra-Terrestrial Intelligence) voit le jour, alors que de nombreux progrès ont été réalisés en radioastronomie et que la NASA s'apprête à envoyer pour la première fois un équipage sur la Lune. Cette effervescence, ainsi que les budgets conséquents consacrés, à ce moment là, à la recherche et à la conquête spatiale, stimuleront toute une génération de scientifiques, dont Freeman Dyson fait partie.

Dyson a ainsi voulu vérifier, avec un regard scientifique, l'idée séduisante développée dans le roman de Stapleton, qui permettrait à une civilisation avancée d'assouvir ses forts besoins énergétiques en captant la totalité, ou une grande partie, de l'énergie émise pas son étoile. Cette idée part d'un postulat très simple : en supposant que la demande en énergie et en matière soit croissante pour une civilisation technologique, celle-ci arriverait un jour à l'autre, inéluctablement, à épuiser le potentiel énergétique de sa propre planète et n'aurait d'autres choix que de se tourner vers son étoile.

La détection des sphères de Dyson

Dyson estime que cette approche pourrait également être un élément de réponse au paradoxe de Fermi qui consiste à s'interroger pour tenter de comprendre pourquoi l'Univers est si silencieux. En effet, parmi les hypothèses qui permettent de répondre à ce grand silence, outre les éventuelles difficultés d'effectuer des voyages interstellaires, la rareté de la vie intelligente, ou le fait que des civilisations extra-terrestres puissent disparaître avant d'avoir atteint un stade avancé, Dyson évoque aussi le fait que ces dernières pourraient ne pas avoir la nécessité de coloniser l'Univers à partir du moment où elles parviennent à accéder à une source d'énergie quasi illimitée, en bâtissant une ou plusieurs sphères de Dyson. Malgré tout, si une étoile « encapsulée » dans une sphère de Dyson n'est pas détectable dans le spectre visible, la sphère le serait quant à elle grâce à un rayonnement infrarouge similaire à celui d'un corps noir.

Après la première formulation de Dyson désignant une « coquille » solide et creuse enserrant une étoile, d'autres variétés de sphères de Dyson ont ensuite été conceptualisées notamment pour répondre aux critiques concernant la stabilité mécanique d'un tel objet. Au total trois types de sphères de Dyson sont ainsi envisagées, celle de type I dont la coquille creuse et fermée permettrait de capter presque l'intégralité de l'énergie émise par une étoile et pourrait être potentiellement habitable ; celle de type II qui consiste en un essaim composé d'un très grand nombre de collecteurs solaires indépendants, une solution qui semble plus réaliste ; celle de type III appelée bulle de Dyson serait composée de « statites » (contraction des mots statique et satellite) qui utiliseraient des voiles solaires comme le prototype inspiré par Carl Sagan, Lightsail, pour flotter immobile par rapport à l'astre.

Une sphère de Dyson dans la Voie lactée ?

Ce concept est bien entendu très intéressant pour la recherche de technosignatures, mais il surprend et étonne davantage lorsque l'on sait que Freeman Dyson estime que l'Humanité pourrait parvenir à capter toute l'énergie du Soleil grâce à une telle structure d'ici 2 500 ans !

S'appuyant sur l'échelle de Kardashev - une méthode de classification des civilisations par rapport à leur consommation énergétique et leur niveau technologique - Dyson estime en effet qu'une société pourrait atteindre le type 2 de ce classement en seulement 2 500 ans, tant que sa croissance économique annuelle ne descend pas en deçà de 1 %. Une civilisation de type 2 correspond à une société avancée capable de collecter la puissance énergétique émise par son étoile. En 1973, Carl Sagan a revisité cette échelle, postulant que l'Humanité était alors une civilisation de type 0.7.

Cette entreprise titanesque semble à l'heure actuelle un peu loufoque, d'autant plus qu'elle nécessiterait de démanteler l'équivalent d'une planète gazeuse comme Jupiter, mais aussi de terraformer des planètes tel que Mars et Vénus. Malgré tout, l'évolution technologique actuelle notamment avec le développement rapide de la robotique, de l'intelligence artificielle ou des nanotechnologies laisse entrevoir un avenir radieux pour la conquête spatiale. D'autres concepts hypothétiques comme la sonde de Von Neumann, un engin spatial capable de se répliquer à l'aide de matériaux trouvés in situ, pourrait répondre aux gigantesques besoins pour la construction et l'assemblage d'une sphère de Dyson.

Le cylindre O'Neill : coloniser le système solaire

Camarade et ami de Freeman Dyson, O'Neill s'est lui aussi intéressé de très près à la question d'une éventuelle colonisation par l'Homme de l'espace interplanétaire.

Théorisé en 1977 dans son ouvrage The High Frontier: Human Colonies in Space (« Les Villes de l'espace », dans son édition française), le cylindre O'Neill est un concept d'habitat spatial issu d'un travail commun entre Gerard O'Neill et ses étudiants à Princeton dès 1969. En 1974, il publiait déjà un article intitulé « La colonisation de l'espace » dans la revue Physics Today dans lequel il décrivait plusieurs solutions innovantes pour coloniser le système solaire, notamment en développant des mégastructures.

Gerard O'Neil
Gerard K. O'Neill enseignant à Princeton © Tasha O'Neill

Si l'on peut penser que O'Neill a lui aussi été inspiré par le roman de Stapleton, qui décrit des structures habitables édifiées autour d'étoiles, mais aussi des anneaux extérieurs abritant la vie, il s'agit finalement d'une variante cylindrique d'un concept déjà proposé en 1929 par John Desmond Bernal, un physicien britannique, et repris encore en 1954 par le scientifique allemand Hermann Oberth. Toutefois, peu de temps avant la publication de son livre, on retrouve ce type de structures (de conception extra-terrestre) dans le roman d'Arthur C. Clarke, Rendez-vous avec Rama.

Des conditions de vie similaires sur Terre

Avec l'aide de ses étudiants, O'Neill va cependant populariser et pousser ce concept un peu plus loin. Il imagine en effet trois différents types d'habitats spatiaux, nommés Islands.

Island One consiste ainsi en une sphère en rotation de 512 mètres de diamètre. Cette structure pourrait accueillir 10 000 habitants dans sa région équatoriale. Le concept d'Island Two est similaire, excepté que celui-ci mesure 1,6 km de diamètre. L'idée a ensuite été reprise lors de l'étude d'été 1975 de la NASA, dirigée par O'Neill, dans laquelle l'Université de Stanford a proposé une version alternative - le Tore de Stanford - composée d'un ou deux tores utilisant la force centrifuge pour fournir une gravité similaire à celle de la Terre.

Enfin, le concept de référence, Island Three, est celui que l'on connaît aujourd'hui sous le nom de cylindre O'Neill. Il est largement plus volumineux que les deux autres modèles puisqu'il consiste en une paire de cylindres à rotation opposée, mesurant chacun 32 km de long pour 6 km de diamètre.

Une paire de cylindre O'Neill
Une paire de cylindre O'Neill © Rick Guidice / NASA Ames Research Center

Chaque cylindre de cette énorme structure comporte six tranches de surfaces égales, s'étendant sur toute la longueur du cylindre. Trois d'entre elles sont habitables, tandis que les trois autres sont des surfaces transparentes permettant à la lumière du soleil d'y pénétrer. Un anneau extérieur d'un diamètre de 32 km, tournant à une vitesse différente, est installé pour mener les activités agricoles. Enfin, les unités de production industrielle pour concevoir les habitations seraient situées au centre de cette structure afin de minimiser la gravité pour certaines activités industrielles.

Comme nous pouvons le constater, O'Neill et ses étudiants ont ici pensé à tout pour une éventuelle colonisation de l'espace, un concept qui séduit par ailleurs un certain Jeff Bezos. Capable d'accueillir plusieurs millions d'habitants, le cylindre O'Neill voit son axe toujours pointé vers le Soleil, d'abord dans le but de répondre à ses besoins énergétiques, mais aussi afin de recevoir la lumière en son sein. Les trois tranches transparentes, sortes de fenêtres, seraient équipées de miroirs permettant de refléter la lumière, ainsi que de simuler la nuit.

Space Colony Art from the 1970s: Cylindrical Colonies
Vue intérieure d'un cylindre O'Neill et ses tranches de surfaces habitables et de miroirs en alternance © Rick Guidice / NASA Ames Research Center

Pour apporter la stabilité, comme pour simuler la gravité terrestre, O'Neill envisageait de placer la structure au niveau des points de Lagrange ; les cylindres devraient tourner en rotation opposée 28 fois par heure pour annuler tout effet gyroscopique et ainsi fournir aux habitants une gravité artificielle. Enfin, le volume des cylindres serait suffisant pour reproduire de façon plus ou moins précise une atmosphère avec ses propres conditions météorologiques, tout en offrant une protection contre le rayonnement cosmique et ses radiations.

Interior view of an O'Neill cylinder space colony
Vue intérieure d'un cylindre O'Neill montrant la courbure de sa surface interne © Don Davis / NASA Ames Research Center

Des concepts envisageables dans un futur proche ?

Inspirant régulièrement le monde de la science-fiction, à l'instar du film Interstellar, ou de la fameuse série de jeux vidéo Mass Effect, avec sa Citadelle, le concept de cylindre O'Neill (et celui de sphère de Dyson) reste actuellement l'une des propositions les pertinentes et pratiques lorsque l'on évoque une colonisation spatiale à long terme et à grande échelle.

Bien que l'emblématique fondateur de SpaceX, Elon Musk, soit encore loin d'être convaincu par un tel projet, arguant qu'il n'a pour lui « aucun sens », le cylindre O'Neill apparaît aux yeux de beaucoup comme une idée judicieuse par rapport à la colonisation d'autres planètes du système solaire où l'Homme, fragile, aura bien du mal à s'implanter.

Comme bien d'autres avant lui, à l'instar de Carl Sagan, le fondateur de la société aérospatiale Blue Origin, Jeff Bezos, est, lui, séduit par l'idée des colonies telles que décrites par O'Neill. Si Bezos a depuis reconnu que la construction de ces colonies serait un défi allant bien au-delà de tout ce que les humains ont pu accomplir jusqu'à présent, il estime que le prochain grand défi dans le domaine spatial sera d'utiliser des ressources disponibles dans l'espace pour construire et y maintenir des structures.


Ce regard sur l'avenir du spatial est évidemment loin d'être dénué de sens : la NASA ainsi que l'ESA envisagent ainsi sérieusement l'utilisation de ressources in situ pour leurs prochaines missions sur la Lune. En outre, si ces agences réalisent une telle avancée, qui permettrait d'envisager une présence humaine autonome sur la Lune, force est de constater qu'il s'agit également de l'un des éléments capitaux pour une hypothétique construction de mégastructure telle qu'une sphère de Dyson ou une colonie O'Neill.

Aujourd'hui ces projets nous semblent hors de portée, fictionnels, voire complètement insensés à l'image des déclarations de Musk. Toutefois, s'il parait certain que nous ne les verrons jamais de notre vivant, ils pourraient bien sortir du champ de la science-fiction et devenir une réalité d'ici quelques siècles ! Des versions améliorées et moins volumineuses pourraient d'ailleurs peut-être voir le jour dans un avenir relativement proche. Kalpana One, une conception hybride inspirée du cylindre O'Neill, de la sphère de Bernal et du Tore de Stanford semble, à notre échelle, bien plus réaliste.

Par ailleurs, si l'Humanité n'a pas encore atteint le niveau 1 sur l'échelle de Kardachev, elle pourrait l'atteindre peut-être plus rapidement que prévu en parvenant à maîtriser, sur Terre, l'un des phénomènes qui alimente les étoiles en énergie : la fusion nucléaire ! Diverses expérimentations ont lieu dans le monde depuis les années 1950 grâce à une invention d'Andreï Sakharov (le père de la bombe H) nommée tokamak. Le plus prometteur des tokamak est actuellement en cours de construction sur le site de Cadarache, en France, il s'agit du projet ITER qui entend démontrer à titre expérimental la viabilité de la fusion nucléaire. S'il y parvient, nous pourrions voir émerger les premières centrales électriques fonctionnant grâce à la fusion nucléaire d'ici 2050 !



Et vous, pensez-vous que l'Homme sera un jour en mesure de construire de telles structures dans l'espace ?
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