miniatura|upright=1.2|Diagrama d'una esfera de Dyson de radi igual a 1 ua (unitat astronòmica). Una esfera de Dyson és una hipotètica megaestructura descrita el 1960 pel físic i matemàtic anglès Freeman Dyson en un breu article publicat a la revista Science i titulat («Recerca de fonts estel·lars artificials de radiació infraroja»). Aquesta estructura d'astroenginyeria és una esfera de matèria, artificial i buida, situada al voltant d'una estrella i dissenyada per capturar la major part de l'energia emesa per a ús industrial. Dyson també va anomenar l'estructura una biosfera artificial.
Tot i que Dyson va ser el primer a formalitzar i popularitzar el concepte de l'esfera de Dyson, la idea havia aparegut per primer cop el 1945 en una novel·la de ciència-ficció d'Olaf Stapledon anomenada (1937). Dyson també va ser influït per l'esfera ideada pel britànic John Desmond Bernal el 1929. En el seu article, Dyson explica que aquesta esfera pot ser una manera ideal com una civilització molt avançada pugui fer front al creixement exponencial de la població. Ell ho descriu com una paret que tanca la seva estrella i captura gairebé tota la radiació solar. Dyson explica que aquestes zones també poden contenir estructures habitades. Finalment, es recomana l'observació de la galàxia per l'infraroig per detectar possibles esferes de la nostra galàxia.
Però altres autors posteriors, descriuen les propietats de l'esfera, quant a la seva composició, temperatura, la seva ubicació dins del sistema solar, o la seva capacitat per moure's. La idea que una civilització extraterrestre avançada pugui superar els seus problemes d'energia a través d'una biosfera artificial és una solució possible per la paradoxa de Fermi, problema que Dyson intenta respondre especificant les condicions de l'observació. Hi ha diverses varietats d'esferes Dyson: petxina, eixam o bombolla. El model de Dyson ha influït un gran nombre de megaestructures proposades posteriorment. La ciència-ficció ha utilitzat àmpliament la idea de Dyson, ja sigui en la literatura, el cinema o els videojocs.
Gènesi Stapledon i Kardaixov Freeman J. Dyson va tenir la idea de les «biosferes artificials» amb la lectura de la novel·la de ciència-ficció (Creador de les estrelles, 1937) d'Olaf Stapledon, que descriu «trampes de llum» (): megaestructures produïdes per una civilització tecnològicament molt avançada. A , hi ha centenars de milers d'estructures amb mons habitables construïdes de manera concèntrica a les seves estrelles, captant la major part de la seva radiació solar, per les seves necessitats energètiques. Els anells exteriors, més lluny del sol, al seu torn poden contenir vida en naus inflables. John Desmond Bernal va ser el primer, des del 1929, en el seu llibre , creia que un hàbitat espacial consisteix en una closca buida d'1,6 km de diàmetre, amb una població de 20.000 a 30.000 persones i plena d'aire. Altres models que van seguir (el , el Stanford Torus i el cilindre O'Neill) tenien la imatge de la idea original de Bernal, s'imaginava una megaestructura que produïa la seva pròpia energia solar. L'escriptor de ciència-ficció Raymond Z. Gallun mentrestant va imaginar, en (1938) i llavors en (1941), com la humanitat podria desmantellar planetes sencers per fer anells on viuen els terrícoles, en òrbita al voltant del Sol. Comentant aquests escrits, Gallun es veu a si mateix com un pioner de la teoria de Dyson.
Dyson té també coneixement del treball de l'astrònom rus Nikolai Kardaixov, que va establir una classificació de civilitzacions extraterrestres, d'acord amb l'ús que fan de l'energia disponible en el seu entorn. Una civilització de tipus I seria capaç d'utilitzar tota la seva energia disponible del planeta original (aproximadament una potència d'1,74×10¹⁶ Watts, equivalent a deu milions de reactors nuclears EPR). Una civilització de tipus II hauria de ser capaç de recollir tota l'energia de la seva estrella central, amb un valor energètic de 10²⁶ W. Una esfera de Dyson per tant, pertany al tipus II. Finalment, una civilització de tipus III tindria a la seva disposició tota l'energia emesa per la galàxia en el qual es troba, gairebé 10³⁶ W. Basat en aquesta escala,És útil comparar l'ordre de magnituds. Dyson ha calculat que una societat amb l'1% de creixement econòmic anual podria arribar al tipus II en 2.500 anys, és a dir, és probable que utilitzin directament, i completament, l'energia de la seva estrella.
(1960) miniatura|El físic i matemàtic Freeman J. Dyson en el 2007
Freeman J. Dyson, és matemàtic i físic que treballa a l' de la Princeton, va proposar la hipòtesi de les megaestructures esfèriques en un breu article, publicat al Science, i com a títol («Investigació sobre les fonts estel·lars artificials de radiació infraroja»), el 3 de juny de 1960. Ell postula que les civilitzacions extraterrestres poden tenir un avantatge tecnològic sobre la humanitat: «Per tant, és probable que aquests éssers hagin existit durant milions d'anys, i han arribat a un nivell tecnològic superant el nostre en molts ordres de magnitud. Una hipòtesi de treball raonable és llavors quan el seu hàbitat s'estén als límits establerts pels principis de Malthus.» Dyson llavors postula que les civilitzacions extraterrestres tenen un sistema solar similar al nostre: «Prenent el nostre propi sistema solar com a model, s'arriba com a mínim la imatge possible del que normalment passa en altres llocs. No dic que això passarà en el nostre sistema; només dic que això és el que podria haver succeït en altres sistemes.»
Suposadament, una civilització extraterrestre que pugui conquerir el sistema solar, i tecnològicament prou avançada, tindria una doble alimentació: de material i energia. Dyson recorda que l'espècie humana estava (en el 1960) de l'ordre de 10²⁰ ergs/s.Dyson s'expressava en l'època en unitats del sistema CGS; que era, per 1 erg = 10-7 Joule, un poder de 1013 W. No obstant això: «Les quantitats de matèria i energia que es pot imaginar que resultin accessibles en el sistema solar de 2 × 10³⁰g (la massa de Júpiter) i 4 × 1033 ergs/s (la difusió total de l'energia solar). » Dyson evoca dues solucions disponibles per a una civilització molt avançada, en el sistema solar: la seva estrella (el Sol en el cas de la Terra) per l'energia i el gegant de gas (Júpiter seria el cas adequat) per al material. La massa del gegant gasós, un cop manipulada per aquesta finalitat, permetria crear una megaestructura adaptada per a l'aprofitament de l'energia de l'estrella. No obstant això, la manipulació tecnològica per utilitzar aquesta font, també requereix energia. Dyson imagina l'efecte de: «desmuntar i reorganitzar un planeta de la grandària de Júpiter», i considera que aquesta operació aproximadament a 1044 ergs, és a dir, una quantitat d'energia igual a la radiació solar en 800 anys. «Finalment, la massa de Júpiter, si es distribueix en una capa esfèrica que gira al voltant del sol dues vegades la distància des de la qual es troba la Terra, amb un gruix com el pes de 200 g/cm² de superfície (2 per 3 m, d'acord amb la densitat). Una estructura d'aquest gruix es podria fer habitable amb comoditat, i podria contenir tota la maquinària necessària per a l'operació de la radiació solar que hi radica des de l'interior.»
El físic veu la necessitat de la civilització per realitzar aquesta megaestructura, explicant com el creixement de la població ajudaria a motivar la construcció d'una biosfera artificial: «excepte els accidents i les pressions maltusianes eventualment poden amenaçar les espècies intel·ligents per adoptar un ús eficient dels recursos a la seva disposició. Hem d'esperar que, en uns pocs milers d'anys de la seva entrada en l'etapa de desenvolupament, qualsevol espècie intel·ligent es trobaria a ocupar una biosfera artificial que envolta per complet a la seva estrella mare.» Dyson conclou en el seu article sobre la possibilitat, donada la seva exposició, que observar el cel ja no es limita a les estrelles visibles, però mitjançant l'extensió de la investigació de fonts d'emissió infraroja (el que ell anomena «estrelles infraroges»). En efecte: «L'hàbitat més probable d'aquests éssers, seria un objecte fosc, amb una grandària comparable a la de l'òrbita de la Terra, i una temperatura de la superfície de 200 K a 300 K. Aquest objecte fos és irradiat molt intensament per l'estrella oculta a dins, però la radiació és en l'infraroig llunyà, al voltant d'una longitud d'ona de 10 microns» Els candidats a aquesta observació per l'infraroig és probable que siguin «estrelles conegudes per ser estrelles binàries amb companyes visibles.»
Crítica i debats miniatura|upright=1.5|Les fonts infraroges de longitud d'ona al voltant de les 10 µ són possibles candidates per a la recerca de les esferes de Dyson (aquí, l'estrella Vega observada per l'Spitzer).
L'article de Dyson obre una sèrie de debats. Un resum de l'article, amb títol de apareix en la del 18 de juny de 1960. El 22 de juliol de 1960, es llança el debat en la secció de la revista Science. L'escriptor i crític científic britànic John Maddox, del , respon a la primera hipòtesi de Dyson. Aquest últim considera el suggeriment Dyson com a poc realista, perquè l'estructura de l'esfera no compleix amb les lleis de la mecànica. Maddox creu que: «no és concebible fer servir un planeta com Júpiter com a font de material». A més a més, la hipòtesi de Dyson no pot conduir a assolir una estructura rígida capaç de resistir les forces de cisallament i les que tendeixen a moure's cap al pla equatorial, així fent deformar l'element. Maddox també critica el fet que aquesta estructura pugui assolir una mida d'una unitat astronòmica de radi. L'escriptor científic considera que els éssers veritablement intel·ligents i avançats haguessin pogut optar per una estructura en tor, posat en un pla perpendicular a l'eix de la seva rotació, fins i tot si aquesta configuració pogués capturar només una fracció de la radiació solar en comparació amb el model de Dyson. Finalment, no entén la relació entre la pressió demogràfica futura i la necessitat de crear biosferes artificials.
Després de Maddox, l'escriptor de ciència-ficció americà Poul Anderson, apassionat en l'especulació futurista, va aclarir alguns punts de la hipòtesi inicial de Dyson. Segons ell, les limitacions mecàniques fan impossible una estructura d'aquest tipus. Si no és així, l'energia necessària per a la seva fabricació, estimada en 800 anys per Dyson, no es podria realitzar a causa del creixement de la població en aquest llarg període. També és impossible imaginar una civilització capaç d'«acomplir pacientment aquesta enorme tasca, mil·lenni rere mil·lenni.» Anderson, fins i tot reverteix l'argument de Dyson: un creixement significatiu de la població no permetria l'estabilitat política necessària per a la construcció d'una biosfera artificial. També a la mateixa secció, l'enginyer en aeronàutica Eugene Sloane va trobar que la idea de Dyson és «factible i raonable». A continuació es pregunta el perquè, si existeixen aquestes civilitzacions avançades, ningú pogués entrar en contacte amb la humanitat.