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Une sphère de Dyson est une mégastructure hypothétique décrite en 1960 par le physicien et mathématicien américain Freeman Dyson, dans un court article publié dans la revue Science et intitulé Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation (« Recherche sur les sources stellaires artificielles de rayonnements infrarouges »). Cette structure d'astro-ingéniérie 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 « biosphère artificielle ».
Bien que Dyson ait été le premier à formaliser et populariser le concept de sphère de Dyson, l'idée lui est venue en 1945 après la lecture d'un roman de science-fiction d'Olaf Stapledon intitulée Star Maker (Créateur d'étoiles, 1937). 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 solaire. 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, voire 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 en précisant les conditions d'observation. Il existe plusieurs variétés de sphères de Dyson : coquille, essaim ou encore bulle. 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. La science-fiction a beaucoup utilisé l'idée de Dyson, que cela soit en littérature, au cinéma, ou dans les jeux vidéo.