thumb|upright=1.2|Schéma d’une coquille de Dyson d’une unité astronomique de rayon.
Une sphère de Dyson est une mégastructure hypothétique décrite en 1960 par le physicien et mathématicien américano-britannique Freeman Dyson, dans un court article publié dans la revue Science et intitulé (« Recherche de sources stellaires artificielles de rayonnements infrarouges »).. Cette structure d'astro-ingénierie consiste en une sphère de matière, artificielle et creuse, située autour d'une étoile et conçue pour en capturer presque toute l’énergie émise pour une utilisation industrielle. Dyson nomme également cette structure .
Bien que Dyson ait été le premier à formaliser et populariser ce concept, auquel son nom reste attaché pour cette raison, l'idée lui en est venue en 1945 après la lecture du roman de science-fiction Star Maker d'Olaf Stapledon paru huit ans plus tôtDyson a écrit à ce propos : « Certains écrivains de science-fiction m'ont à tort attribué l'invention de la biosphère artificielle. En fait, c’est une idée que j’ai empruntée à l'un des leurs, Olaf Stapledon. [...] J'ai trouvé ce passage dans un exemplaire de Star Maker [Créateur d'étoiles], acheté à Paddington Station à Londres, en 1945. » Voir Freeman J. Dyson, Les Dérangeurs de l'Univers, traduit de l'américain par Odile Laversanne, préface d'Hubert Reeves, Payot, Paris, 1986, p.248.. Dyson a également été influencé par la sphère imaginée par le Britannique John Desmond Bernal en 1929. Dans son article, Dyson explique qu'une telle sphère est un moyen idéal pour une civilisation très avancée de faire face à un accroissement démographique exponentiel. Il la décrit comme une coquille enserrant son étoile parente, captant la quasi-intégralité de sa radiation stellaire. Dyson explique que de telles sphères pourraient aussi abriter des structures d'habitations. Enfin, il recommande d'observer la Galaxie dans l'infrarouge afin de détecter de possibles sphères dans notre galaxie.
Dyson, mais aussi d'autres auteurs après lui, ont décrit les propriétés de cette sphère, aussi bien concernant sa composition, sa température, sa localisation au sein de son système solaire, que sa capacité de déplacement. L'idée qu'une civilisation extraterrestre avancée puisse pallier ses problèmes énergétiques au moyen d'une biosphère artificielle est une solution possible au paradoxe de Fermi, problème auquel Dyson a tenté de répondre en précisant les conditions d'observation. Le modèle élaboré par Dyson a influencé nombre de mégastructures hypothétiques. Plusieurs programmes de recherche de possibles sphères de Dyson ont été menés depuis 1985. Si des étoiles ont pu afficher des caractéristiques proches de celles attendues concernant ces mégastructures spatiales, aucune conclusion n'a pu être tirée concernant l'existence probante de tels objets artificiels. En revanche, la science-fiction a beaucoup utilisé l'idée de Dyson, que ce soit en littérature, au cinéma, dans les jeux vidéo, ainsi qu'à la télévision.
Freeman Dyson a explicitement considéré qu'avec les moyens techniques disponibles, la conception d'une coquille solide de cette taille est mécaniquement impossible, en raison des contraintes de matériaux, de la gravité et de la stabilité structurelle ; elle nécessiterait des matériaux et une ingénierie allant bien au-delà de nos capacités théoriques actuelles. Il a donc proposé des variantes plus crédibles : variante en essaim ; c'est une collection lâche de milliards d'objets indépendants (satellites collecteurs d'énergie solaire, habitats spatiaux) orbitant autour d'une étoile. Ces objets ne sont pas connectés physiquement et suivent chacun leur propre orbite et chaque élément est indépendant et peut être ajouté ou retiré sans affecter la structure globale. L'ensemble est une solution évolutive. variante Bulle de Dyson (), où les éléments ne sont pas en orbite mais maintenus en position fixe (ou « statites ») autour de l'étoile grâce à la pression des radiations de l'étoile sur des voiles solaires géantes permettant à ces éléments de flotter en équilibre, cette force s'opposant à la gravité de l'étoile. Ceci nécessiterait des voiles solaires immenses et extrêmement légères, un défi technologique considérable, mais évite les problèmes d'orbites multiples de l'essaim ou la rigidité de la coquille.
Genèse Stapledon et Kardachev Freeman J. Dyson a eu l'idée des « biosphères artificielles » en lisant le roman de science-fiction (Créateur d'étoiles, 1937) d'Olaf Stapledon, qui décrit des « pièges à lumière » () : des mégastructures produites par une civilisation très avancée technologiquement. Dans Créateur d'étoiles, des centaines de milliers de mondes ont construit des structures habitables concentriques enserrant leurs étoiles, captant ainsi la majeure partie de leurs radiations solaires, pour leurs besoins énergétiques. Les anneaux extérieurs, plus éloignés du soleil, se composent quant à eux de globes abritant la vie. John Desmond Bernal a cependant été le premier, dès 1929, dans son ouvrage , à penser un habitat spatial consistant en une coquille creuse de de diamètre, avec une population de à personnes et remplie d'air. Les autres modèles qui ont suivi (le , le tore de Stanford et le cylindre O'Neill) ont, à l'image de l'idée initiale de Bernal, imaginé une mégastructure produisant elle-même son énergie solaire .. L'écrivain de science-fiction Raymond Z. Gallun imagine quant à lui, dans (1938) puis dans (1941), comment l'humanité pourrait démanteler des planètes entières pour fabriquer des anneaux dans lesquels les terriens vivraient, en orbite autour du Soleil. Revenant sur ces écrits, Gallun se considère comme l'un des précurseurs de la théorie de Dyson..
Dyson a également connaissance des travaux de l’astronome russe Nikolaï Kardachev, qui a établi une classification des civilisations extraterrestres, selon l'usage qu'elles font de l'énergie disponible dans leurs environnements.. Une civilisation de est capable d'utiliser toute l'énergie disponible sur sa planète d'origine (approximativement une puissance de , soit l'équivalent de cent millions de réacteurs nucléaires comme l'EPR). Une civilisation de doit s'avérer capable de collecter toute l'énergie de son étoile centrale, soit une puissance valant à peu près . Une sphère de Dyson appartient donc au .. Enfin, une civilisation de a à sa disposition toute l'énergie émise par la galaxie dans laquelle elle est située, soit près de . S'appuyant sur cette échelleQu'on comparera utilement à celle-ci ou à celle-là., Dyson a calculé qu'une société avec 1 % de croissance économique annuelle peut atteindre le en , c'est-à-dire qu'elle est susceptible de puiser directement, et intégralement, son énergie de son étoile..
(1960) thumb|Le physicien et mathématicien Freeman J. Dyson en 2007.
Freeman Dyson, mathématicien et physicien travaillant à l' de Princeton, propose l'hypothèse des mégastructures sphériques dans un court article, publié dans Science, et intitulé (« Recherche de sources stellaires artificielles de rayonnements infrarouges »), le . Il part du postulat que des civilisations extraterrestres ont une avance technologique sur l'humanité : Dyson postule ensuite que ces civilisations extraterrestres possèdent un système solaire semblable au nôtre :
Or, une civilisation extraterrestre à la conquête de son système solaire, et assez avancée technologiquement, a besoin d'une double alimentation : en matière et en énergie. Dyson rappelle que celle de l'espèce humaine est actuellement (en 1960) de l'ordre de Dyson s'exprime à l'époque en utilisant les unités du système CGS ; il s'agit, puisque 1 erg = , d'une puissance de .. Cependant : Dyson évoque donc deux solutions accessibles à une civilisation hautement avancée, au sein de son système solaire : son étoile (le Soleil dans le cas de la Terre) pour l'énergie et sa géante gazeuse (Jupiter le cas échéant) pour la matière. La masse de la géante gazeuse, une fois manipulée à cette fin, permettrait de créer une mégastructure apte à capter l'énergie de l'étoile. Toutefois, la manipulation technologique permettant d'utiliser cette source nécessite elle-même de l'énergie. Dyson imagine en effet de , et estime cette opération à environ , c'est-à-dire à une quantité d'énergie égale à celle irradiée par le Soleil en .
Le physicien revient sur la nécessité civilisationnelle de cette mégastructure, expliquant comment l'accroissement démographique a pu motiver la construction d'une biosphère artificielle : Dyson conclut son article sur la possibilité, étant donné son exposé, d'observer le ciel en ne se limitant plus aux étoiles visibles, mais en étendant l'investigation aux sources d'émissions infrarouges (ce qu'il nomme les ). En effet : . Les candidates à cette observation dans l'infrarouge sont donc susceptibles d'être les
Critiques du concept thumb|upright=1.5|Les sources infrarouges de longueur d'onde d'environ seraient des candidates possibles pour la recherche de sphères de Dyson (ici, l'étoile Véga observée par Spitzer).
L'article de Dyson ouvre une série de débats. Un résumé de l'article, intitulé paraît dans le . Le , un débat est lancé dans la rubrique de la revue Science. L'écrivain et critique scientifique britannique John Maddox, du , réagit le premier à l'hypothèse de Dyson. Ce dernier considère la suggestion de Dyson comme peu réaliste, car la structure de la sphère ne respecte pas les lois mécaniques. Maddox pense qu'. De plus, l'hypothèse de Dyson ne peut aboutir à réaliser une coque rigide capable de résister aux forces de cisaillement et à celles qui auraient tendance à déplacer l'ensemble vers le plan équatorial, déformant ainsi l'ouvrage. Maddox critique également le fait qu'une telle structure puisse atteindre une dimension d'une unité astronomique de rayon. L'écrivain scientifique considère que des êtres réellement intelligents et avancés auraient plutôt opté pour une structure en tore, couchée dans un plan perpendiculaire à l'axe de sa propre rotation, et ce même si cette configuration ne capterait qu'une infime partie de la radiation solaire par rapport au modèle de Dyson. Enfin, il ne comprend pas le lien entre la pression démographique future et la nécessité de créer des biosphères artificielles..
À la suite de Maddox, l'écrivain de science-fiction américain Poul Anderson, en passionné de spéculation futuriste, se doit cependant de préciser certains points de l'hypothèse initiale de Dyson. Selon lui, les contraintes mécaniques rendent impossibles une telle structure. Par ailleurs, l'apport énergétique nécessaire à sa fabrication, estimée à par Dyson, ne pourrait être tenu en raison de l'accroissement démographique sur cette longue période de temps. Il est aussi impossible de se représenter une civilisation capable de Anderson renverse même l'argumentation de Dyson : une croissance démographique importante ne permettrait pas la stabilité politique nécessaire à la construction d'une biosphère artificielle.. Toujours dans la même rubrique, l'ingénieur en aéronautique Eugene Sloane trouve quant à lui que l'idée de Dyson est . Il se demande ensuite pourquoi, si de telles civilisations avancées existent, aucune n'a pu entrer en contact avec l'humanité..