Обязаны ли мы своим существованием гравитационным волнам?
Может ли существование человечества зависеть от гравитационных волн? Некоторые ключевые элементы нашей биологической структуры могут возникнуть в результате астрофизических событий, которые происходят из-за существования гравитационных волн, предполагает исследовательская группа из Королевского колледжа Лондона.
В частности, йод и бром содержатся на Земле благодаря особому ядерному процессу, который происходит при столкновении нейтронных звезд. В свою очередь, пары нейтронных звезд, вращающихся по орбите, сталкиваются из-за выброса ими энергии в виде гравитационных волн. Таким образом, может существовать прямой путь от существования гравитационных волн к существованию млекопитающих.
Человек в основном состоит из водорода, углерода и кислорода, а также множества дополнительных микроэлементов. (Существует 20 элементов, необходимых для человеческой жизни.) Элементы с атомным номером менее 35 образуются в результате сверхновых — взрывов звезд, которые исчерпали свое ядерное топливо и схлопнулись внутрь. Коллапс приводит к взрыву, который разбрасывает их атомы по всей Вселенной.
Но два элемента поступают другими способами: йод, необходимый для ключевых гормонов, вырабатываемых щитовидной железой, и бром, используемый для создания коллагеновых каркасов в развитии и архитектуре тканей.
Торий и уран имели косвенное значение для жизни человека, поскольку их радиоактивный распад в недрах Земли нагревает литосферу и способствует тектонической активности. Движение тектонических плит удаляет и погружает углерод из коры планеты, который сам удаляется из атмосферы посредством реакции воды с углекислым газом и силикатами, что позволяет избежать возможности безудержного парникового эффекта, как это произошло на Венере.
Около половины атомов тяжелых элементов, существующих на Земле (тяжелее железа), производятся в результате так называемого «r-процесса» — процесса быстрого захвата нейтронов. R-процесс происходит, когда тяжелое атомное ядро захватывает последовательность свободных нейтронов до того, как ядро успевает распасться (обычно путем бета-распада).
При достаточно высокой плотности свободных нейтронов, рассчитанной примерно как 10 24 на кубический сантиметр, и при высоких температурах, около миллиарда Кельвинов, нейтроны поглощаются и синтезируют более тяжелые изотопы элемента.
Ученые подсчитали, что r-процесс обеспечил 96% содержания на Земле изотопа 127 I (йод), необходимого для жизни человека, а также большую часть изотопа брома и гадолиния в земной коре, а также весь земной торий и уран и часть молибдена и кадмия.
Где же происходит r-процесс? Одной из возможностей является материал, выброшенный во время отскока от сверхновой с коллапсом ядра, взрывов звезд ближе к концу их жизни. Но существует давняя неопределенность в детальной физике этого процесса.
Одним из явлений, при котором действительно происходит r-процесс, является слияние двух нейтронных звезд, называемое килоновой. Такие слияния напрямую вызваны гравитационными волнами.
По мере того, как пара нейтронных звезд движется по спирали друг к другу на протяжении сотен миллионов лет, ближе к концу они излучают огромное количество энергии в виде гравитационных волн. Фактически, именно такое сближение породило гравитационно-волновое событие GW170817, обнаруженное в 2017 году в гравитационно-волновых обсерваториях LIGO и Virgo. Количество энергии может быть огромным — триллионы триллионов ватт за несколько миллисекунд.
Вспышки килоновых являются важными участками r-процесса, поскольку нейтронные звезды почти полностью состоят из нейтронов. Помимо обсерваторий гравитационных волн, другие детекторы обнаружили GW170817 в электромагнитном спектре и нашли спектроскопические доказательства материала, созданного и выброшенного в результате слияния.
В исследовании делается вывод, что йод, необходимый для жизни человека (а также другие важные тяжелые элементы), «вероятно, был произведен в результате r-процесса при столкновениях нейтронных звезд, вызванных выбросами гравитационных волн». Группа ученых предлагает искать 129 I в лунном реголите, не загрязненном искусственными источниками.
«Столкновения нейтронных звезд происходят потому, что двойные системы теряют энергию, испуская гравитационные волны, — говорит Джон Эллис, автор работы — поэтому эти фундаментальные физические явления, предположительно, сделали возможной жизнь людей».
Статья доступна на сервере препринтов arXiv.