Впечатление художника о слиянии нейтронных звезд, порождающем гравитационные волны и образующем килоновую звезду. Фото: Марк Гарлик, Университет Уорика, из Википедии, под лицензией CC BY 4.0.
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, возглавляемая Джоном Р. Эллисом из Королевского колледжа Лондона.
В частности, йод и бром обнаружены на Земле благодаря особому ядерному процессу, который происходит при столкновении нейтронных звезд. В свою очередь, пары нейтронных звезд, вращающиеся по орбите, спиралевидны и сталкиваются из-за выброса 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 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 на 1024 на кубический сантиметр, и при высоких температурах, около миллиарда Кельвинов, нейтроны поглощаются и синтезируются более тяжелые изотопы элемента.
Эллис и его коллеги подсчитали, что r-процесс обеспечил 96% изотопа 127I на Земле, изотопа, необходимого для человеческой жизни, и большую часть изотопа брома и гадолиния в земной коре, а также весь земной торий и уран и фракция молибдена и кадмия.
Где происходит r-процесс? Одной из возможностей является материал, выброшенный во время отскока от сверхновой с коллапсом ядра, взрывов звезд ближе к концу их термоядерного существования. 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.
Поскольку двойная пара движется по спирали друг к другу в течение сотен миллионов лет, они излучают огромное количество энергии в виде гравитационных волн ближе к концу. Фактически, именно такое событие породило гравитационно-волновое событие GW170817, обнаруженное в 2017 году в гравитационно-волновых обсерваториях LIGO и Virga в США. Количество энергии может быть огромным — триллионы триллионов ватт за последние 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 документе делается вывод, что йод, необходимый для жизни человека, «вероятно, был произведен в результате r-процесса при столкновениях нейтронных звезд, вызванных выбросами гравитационных волн, а также других важных тяжелых элементов». Группа предлагает искать 129I в лунном реголите, который не загрязнен искусственными источниками.
«Столкновения нейтронных звезд происходят потому, что двойные системы теряют энергию, испуская гравитационные волны, — сказал Эллис, — поэтому эти фундаментальные физические явления, возможно, сделали возможной человеческую жизнь».
Их статья «Обязаны ли мы своим существованием гравитационным волнам?» доступна на сервере препринтов arXiv.
