Гравітаційні хвилі забезпечили нас необхідними для життя елементами

Міжнародна група фізиків зіставила результати досліджень наднових і кілонових зі спостереженнями телескопа “Джеймс Вебб” і дійшла висновку, що найважчі хімічні елементи, необхідні для нашої життєдіяльності, сформувалися під час астрономічних подій, якими “керують” гравітаційні хвилі.

Злиття нейтронних зірок / © DANA BERRY, SWIFT/NASA

Усі хімічні елементи, важчі за залізо, виникли під час астрофізичних процесів: термоядерного p-процесу, а також повільного (s-процес) і швидкого (r-процес) захоплення нейтронів. Понад 20 елементів вважаються необхідними для існування життя, яким ми його знаємо. Більшість із цих елементів мають порядковий номер, вищий за 35, і вони сформувалися в наднових під час p-процесу та r-процесу. Але є два елементи, які народжуються переважно під час r-процесу: бром і йод. Останній особливо цікавить учених.

За розрахунками авторів нової роботи, препринт якої викладено на arXiv, 96% йоду-127 у земній корі сформувалося під час r-процесу. Умови, необхідні для його запуску, вкрай екстремальні: необхідна висока концентрація вільних нейтронів відносно кількості ядер, на які вони можуть “налипнути”, сформувавши важчі елементи.

Відповідні умови складаються в наднових, але з ними є кілька проблем. По-перше, вони буквально небезпечні для життя, якщо трапляються поблизу населеного світу. Найімовірніше, вони спровокували чимало масових вимирань на нашій планеті. За розрахунками вчених, такі наднові в межах 20 парсек від Землі трапляються кожні кілька сотень мільйонів років. По-друге, не до кінця зрозуміло, наскільки успішний r-процес у наднових і наскільки далеко розлітаються нові елементи.

Тому, крім наднових, вчені придивляються до кілонових – злиттів двох нейтронних зірок або нейтронної зірки з чорною дірою. Загалом, у них такий самий “радіус вбивства”, як і в наднових, хіба що планеті не пощастить опинитися на шляху гамма-спалаху від події. Зате вони трапляються рідше, тому менш небезпечні в довгостроковій перспективі.

Автори дослідження вважають, що саме кілонові виробляють важливі для життя елементи, а провокують ці події гравітаційні хвилі. Перше непряме свідчення того, що нейтронні зірки стикаються, оскільки втрачають енергію на гравітаційні хвилі, з’явилося в результаті аналізу спостережень за пульсаром PSR B1913+16. Напряму це вдалося підтвердити завдяки дослідженню гравітаційних хвиль GW170817 від злиття двох нейтронних зірок.

У 2023 році інша група вчених проаналізувала згаданий вище сигнал GW170817 за даними LIGO і зробила висновок, що в цьому зіткненні нейтронних зірок утворилися телур і лантаноїди. Такого ж висновку дійшли дослідники, які вивчили за даними “Джеймса Вебба” кілонову, що породила гамма-спалах GRB 230307А. Тобто в кілонових точно з’являється телур.

R-процес за своєю природою породжує елементи групами з піками поширеності, які відповідають стабільним ядрам з магічними числами нейтронів. Телур і йод входять в один пік, тому, як вважають дослідники, разом із телуром в описаних кілонових мав утворитися йод.

Автори нової роботи запропонували перевірити цю гіпотезу, вивчивши вміст йоду-129 у місячному реголіті. Раніше вони з колегами запропонували перевірити місячний реголіт на вміст плутонію-244, щоб зіставити його з вмістом плутонію в осадових породах з океанського дна за останні 10 мільйонів років. Все це для того, щоб підрахувати внесок кілонових у велику кількість важких елементів на Землі.

Йод більш леткий, ніж плутоній та інші важкі елементи, що утворюються під час r-процесу. Це впливає на властивості міжзоряного пилу з йодом у складі і на те, як він поширюється в космосі. Тому, якщо вміст плутонію в місячному реголіті ще можна передбачити, то велику кількість йоду передбачити складніше.

Зате, якщо вдасться знайти йод-129 у місячному реголіті, можна буде підтвердити, що цей елемент дійсно утворюється в кілонових і розлітається на досить великі відстані. Зазначимо, що це перший із запропонованих ученими способів на практиці перевірити вплив кілонових на утворення важких елементів.

Йод відіграє величезну роль у нашому житті, будучи частиною гормонів, що беруть участь у багатьох фізіологічних процесах, включно з метаболізмом, зростанням, контролем температури тіла і серцевого ритму. Не дарма ще Карл Саган сказав: “Ми всі зроблені із зоряної речовини”.