Гравитационные волны и их роль в происхождении жизни

Гравитационные волны могли сыграть ключевую роль в возможности существования человеческой жизни, как предполагает исследовательская группа под руководством Джона Р. Эллиса из Королевского колледжа Лондона. Отдельные элементы, необходимые для нашей биологии, могут происходить из астрофизических событий, возникающих благодаря существованию гравитационных волн.

Особенно йод и бром, найденные на Земле, могут быть результатом специфического ядерного процесса, происходящего при столкновении нейтронных звезд. Это столкновение, в свою очередь, вызвано их излучением энергии в форме гравитационных волн. Таким образом, существует прямая связь между гравитационными волнами и появлением млекопитающих на Земле.

Человеческое тело в основном состоит из водорода, углерода и кислорода, а также множества других элементов в следовых количествах. Элементы с атомным номером меньше 35 образуются в процессе суперновых — взрывов звезд, исчерпавших свое ядерное топливо и коллапсировавших внутрь. Однако йод и бром, необходимые для человеческой жизни, производятся другими способами. Йод жизненно необходим для производства ключевых гормонов щитовидной железы, а бром используется для создания коллагеновых структур в развитии и архитектуре тканей.

Торий и уран также косвенно важны для человеческой жизни, так как их радиоактивный распад в недрах Земли нагревает литосферу, что способствует тектонической активности. Движение тектонических плит удаляет углерод из коры планеты, который, в свою очередь, удаляется из атмосферы благодаря реакции воды с углекислым газом и силикатами, избегая тем самым вероятности парникового эффекта, подобного тому, что произошел на Венере.

Около половины атомов тяжелых элементов на Земле (тяжелее железа) произведено благодаря так называемому "r-процессу" — процессу быстрого захвата нейтронов. Этот процесс происходит, когда тяжелое атомное ядро захватывает серию свободных нейтронов до того, как ядро успевает распасться (обычно через бета-распад).

Эллис и его коллеги рассчитали, что r-процесс обеспечил 96% изобилия изотопа йода ^127I на Земле, необходимого для человеческой жизни, большую часть изобилия брома и гадолиния в земной коре, а также все запасы тория и урана и часть молибдена и кадмия.

Где происходит r-процесс? Одна из возможностей — материал, выброшенный во время отскока от сверхновой, взорвавшейся в конце ее термоядерного существования. Но существует давняя неопределенность в деталях этого процесса.

Одно из явлений, где r-процесс действительно происходит, — это слияние двух нейтронных звезд, называемое килоновой. Такие слияния непосредственно вызваны гравитационными волнами.

При сближении двойной системы на протяжении сотен миллионов лет, они излучают огромное количество энергии в форме гравитационных волн. Фактически, именно такое событие произвело гравитационно-волновое событие GW170817, обнаруженное в 2017 году обсерваториями гравитационных волн LIGO и Virga в Соединенных Штатах. Количество энергии может быть огромным — триллионы триллионов ватт в последние несколько миллисекунд.

Взрывы килонов являются важными местами для r-процесса, так как нейтронные звезды почти полностью состоят из нейтронов. Помимо обсерваторий гравитационных волн, другие детекторы также зафиксировали GW170817 в электромагнитном спектре и обнаружили спектроскопические доказательства материала, созданного и выброшенного из слияния.

Исследование заключает, что йод, необходимый для человеческой жизни, "вероятно, был произведен благодаря r-процессу в результате столкновений нейтронных звезд, вызванных излучением гравитационных волн, а также других необходимых тяжелых элементов". Группа предлагает искать ^129I в лунном реголите, который не загрязнен искусственными источниками.

"Столкновения нейтронных звезд происходят из-за потери энергии двоичными системами при излучении гравитационных волн," говорит Эллис, "так что эти фундаментальные явления физики могли сделать возможной человеческую жизнь."

Их статья, "Обязаны ли мы наше существование гравитационным волнам?", доступна на сервере предварительных публикаций arXiv .