Международная группа физиков сопоставила результаты исследований сверхновых и килоновых с наблюдениями телескопа «Джеймс Уэбб» и пришла к выводу, что самые тяжелые химические элементы, необходимые для нашей жизнедеятельности, сформировались во время астрономических событий, которыми «управляют» гравитационные волны.
Все химические элементы тяжелее железа возникли при астрофизических процессах: термоядерном p-процессе, а также медленном (s-процесс) и быстром (r-процесс) захвате нейтронов. Более 20 элементов считаются необходимыми для существования жизни, какой мы ее знаем. Большинство из этих элементов имеют порядковый номер выше 35, и они сформировались в сверхновых во время p-процесса и r-процесса. Но есть два элемента, которые рождаются преимущественно в ходе r-процесса: бром и йод. Последний особенно интересует ученых.
По расчетам авторов новой работы, препринт которой выложен на arXiv, 96% йода-127 в земной коре сформировалось во время r-процесса. Условия, необходимые для его запуска, крайне экстремальны: необходима высокая концентрация свободных нейтронов относительно количества ядер, на которые они могут «налипнуть», сформировав более тяжелые элементы.
Подходящие условия складываются в сверхновых, но с ними есть несколько проблем. Во-первых, они буквально опасны для жизни, если случаются вблизи обитаемого мира. Скорее всего, они спровоцировали немало массовых вымираний на нашей планете. По расчетам ученых, такие сверхновые в пределах 20 парсек от Земли случаются каждые несколько сотен миллионов лет. Во-вторых, не до конца ясно, насколько успешен r-процесс в сверхновых и насколько далеко разлетаются новые элементы.
Поэтому, помимо сверхновых, ученые присматриваются с килоновым — слияниям двух нейтронных звезд или нейтронный звезды с черной дырой. В общем-то, у них такой же «радиус убийства», как и у сверхновых, разве что планете не повезет оказаться на пути гамма-вспышки от события. Зато они случаются реже, поэтому менее опасны в долгосрочной перспективе.
Авторы исследования полагают, что именно килоновые производят важные для жизни элементы, а провоцируют эти события гравитационные волны. Первое косвенное свидетельство того, что нейтронные звезды сталкиваются, поскольку теряют энергию на гравитационные волны, появилось в результате анализа наблюдений за пульсаром PSR B1913+16. Напрямую это удалось подтвердить благодаря исследованию гравитационных волн GW170817 от слияния двух нейтронных звезд.
В 2023 году другая группа ученых проанализировала упомянутый выше сигнал GW170817 по данным LIGO и сделала вывод, что в этом столкновении нейтронных звезд образовались теллур и лантаноиды. К такому же выводу пришли исследователи, изучившие по данным «Джеймса Уэбба» килоновую, породившую гамма-вспышку GRB 230307А. То есть в килоновых точно появляется теллур.
R-процесс по своей природе порождает элементы группами с пиками распространенности, которые соответствуют стабильным ядрам с магическими числами нейтронов. Теллур и йод входят в один пик, поэтому, как считают исследователи, вместе с теллуром в описанных килоновых должен был образоваться йод.
Авторы новой работы предложили проверить эту гипотезу, изучив содержание йода-129 в лунном реголите. Ранее они с коллегами предложили проверить лунный реголит на содержание плутония-244, чтобы сопоставить его с содержанием плутония в осадочных породах с океанского дна за последние 10 миллионов лет. Все это для того, чтобы подсчитать вклад килоновых в обилие тяжелых элементов на Земле.
Йод более летучий, чем плутоний и другие тяжелые элементы, образующиеся в ходе r-процесса. Это влияет на свойства межзвездной пыли с йодом в составе и на то, как она распространяется в космосе. Поэтому, если содержание плутония в лунном реголите еще можно предсказать, то обилие йода предсказать сложнее.
Зато, если удастся найти йод-129 в лунном реголите, можно будет подтвердить, что этот элемент действительно образуется в килоновых и разлетается на достаточно большие расстояния. Отметим, что это первый из предложенных учеными способов на практике проверить влияния килоновых на образование тяжелых элементов.
Йод играет огромную роль в нашей жизни, будучи частью гормонов, участвующих во многих физиологических процессах, включая метаболизм, рост, контроль температуры тела и сердечного ритма. Не зря еще Карл Саган сказал: «Мы все сделаны из звездного вещества».