Гравитационные волны могли сделать возможной человеческую жизнь

Может ли существование человечества зависеть от гравитационных волн? Исследовательская группа под руководством Джона Р. Эллиса из Королевского колледжа в Лондоне предполагает, что некоторые ключевые элементы нашего биологического состава могут происходить от астрофизических событий, которые происходят благодаря существованию гравитационных волн.

В частности, йод и бром присутствуют на Земле благодаря особому ядерному процессу, происходящему при столкновении нейтронных звезд. В свою очередь, двойные системы нейтронных звезд сближаются и сталкиваются из-за потери энергии в форме гравитационных волн. Таким образом, может существовать прямая связь между существованием гравитационных волн и существованием млекопитающих.

Люди в основном состоят из водорода, углерода и кислорода, со множеством дополнительных микроэлементов (всего 20 элементов, необходимых для жизни человека). Элементы с атомным номером меньше 35 образуются в сверхновых — взрывах звезд, исчерпавших ядерное топливо и коллапсировавших внутрь. Взрыв разбрасывает их атомы по Вселенной.

Но два элемента имеют другое происхождение:

Торий и уран также косвенно важны для жизни, так как их радиоактивный распад в недрах Земли нагревает литосферу и обеспечивает тектоническую активность. Движение тектонических плит удаляет и погружает углерод из земной коры, который, в свою очередь, удаляется из атмосферы через реакцию воды с диоксидом углерода и силикатами. Это предотвращает возможность неконтролируемого парникового эффекта, как на Венере.

Около половины тяжелых атомов на Земле (тяжелее железа) производятся в результате r-процесса (процесса быстрого захвата нейтронов). Он 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 (расчетно около 1024 на кубический сантиметр) и высоких температурах (около миллиарда Кельвинов) нейтроны поглощаются, и синтезируются более тяжелые изотопы элемента.

Эллис и его коллеги подсчитали, что r-процесс обеспечил:

  • 96% содержания на Земле 127I — изотопа, необходимого для жизни человека.
  • Большую часть содержания брома и гадолиния в земной коре.
  • Весь торий и уран Земли, а также часть молибдена и кадмия.

Где происходит r-процесс? Одна из возможностей — выбросы материала при отскоке от коллапсирующего ядра сверхновой. Однако в детальной физике этого процесса есть давние неопределенности.

Другое явление, где точно происходит r-процесс — это слияние двух нейтронных звезд, называемое килоновой. Такие слияния напрямую вызваны гравитационными волнами.

По мере того как двойная система сближается в течение сотен миллионов лет, она излучает огромное количество энергии в форме гравитационных волн, особенно в конце. Именно такое событие породило гравитационно-волновой сигнал GW170817, зарегистрированный в 2017 году обсерваториями LIGO и Virgo. Количество энергии колоссально — триллионы триллионов ватт в последние миллисекунды.

Вспышки килоновых — важные площадки для r-процесса, так как нейтронные звезды состоят почти целиком из нейтронов. Помимо гравитационно-волновых обсерваторий, другие детекторы зафиксировали GW170817 в электромагнитном спектре и нашли спектроскопические свидетельства материала, созданного и выброшенного при слиянии.

В статье делается вывод, что йод, необходимый для жизни человека, «вероятно, был произведен r-процессом при столкновениях нейтронных звезд, вызванных излучением гравитационных волн, как и другие необходимые тяжелые элементы». Группа предлагает поискать 129I в лунном реголите, который не загрязнен антропогенными источниками.

«Столкновения нейтронных звезд происходят потому, что двойные системы теряют энергию, излучая гравитационные волны, — сказал Эллис. — Таким образом, эти фундаментальные физические явления могли сделать возможной человеческую жизнь».

Их статья «Обязаны ли мы своим существованием гравитационным волнам?» доступна на сервере препринтов arXiv.