Международная группа физиков провела сопоставление результатов исследований сверхновых и килоновых с данными, полученными с телескопа «Джеймс Уэбб», и установила, что самые тяжелые химические элементы, важные для поддержания жизни, образовались в ходе астрономических явлений, где ключевую роль играют гравитационные волны.
Элементы, превосходящие по массе железо, образовались в результате астрофизических реакций, включая термоядерный p-процесс, а также медленный (s-процесс) и быстрый (r-процесс) захват нейтронов. Свыше двадцати элементов признаются важными для поддержания жизни в той форме, в которой мы ее наблюдаем. Подавляющее большинство этих элементов характеризуются номером больше 35 и возникли в сверхновых, благодаря p-процессу и r-процессу. Однако, бром и йод формируются преимущественно в результате r-процесса. Последний представляет особый интерес для исследователей.
Согласно расчетам, представленным в новой работе, препринт которой выложен на arXiv, около 96% йода-127, содержащегося в земной коре, образовалось в результате r-процесса. Для запуска этого процесса требуются очень экстремальные условия: необходимо обеспечить высокую концентрацию свободных нейтронов по отношению к числу ядер, к которым они могут присоединиться, формируя более тяжелые элементы.
Благоприятные условия для формирования тяжелых элементов возникают в сверхновых звёздах, однако их существование связано с рядом сложностей. Прежде всего, они представляют непосредственную угрозу для жизни, если происходят вблизи планет, где могут существовать организмы. Вероятно, они стали причиной многочисленных массовых вымираний на Земле. По оценкам специалистов, сверхновые, расположенные в пределах 20 парсек от нашей планеты, происходят примерно каждые несколько сотен миллионов лет. Кроме того, пока не установлено, насколько эффективно протекает r-процесс в сверхновых и на какие расстояния рассеиваются образовавшиеся элементы.
Помимо сверхновых, исследователи также изучают килоновые явления — слияния двух нейтронных звезд или же нейтронной звезды с черной дырой. Эти события обладают схожей зоной влияния, подобной сверхновым, однако планете может не повезет, если она окажется на траектории гамма-вспышки. Килоновые явления происходят реже, что делает их менее опасными в долгосрочной перспективе.
Авторы исследования считают, что ключевую роль в формировании жизненно необходимых элементов играют килоновые звёзды, а причиной этих процессов являются гравитационные волны. Первые непрямые доказательства столкновения нейтронных звёзд, основанные на потере энергии из-за гравитационных волн, были получены в результате анализа данных, полученных при наблюдениях за пульсаром PSR B1913+16. Прямого подтверждения 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.
Ядерный процесс R характеризуется образованием элементов в составе групп, имеющих пики распространенности, соответствующие стабильным ядрам с магическими числами нейтронов. Поскольку теллур и йод находятся в одном пике, ученые полагают, что в ходе формирования описанных килоновых взрывов йод образовался совместно с теллуром.
В новой работе авторы предложили подтвердить или опровергнуть эту гипотезу, исследовав концентрацию изотопа йода-129 в лунном грунте. До этого они совместно 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 обладает большей летучестью, чем плутоний и другие тяжелые элементы, возникающие в процессе r-захвата. Это оказывает влияние на характеристики межзвездной пыли, содержащей йод, и на ее распространение в космическом пространстве. В связи с этим, в то время как содержание плутония в лунном реголите можно спрогнозировать, обилие йода определить сложнее.
Если же удастся обнаружить йод-129 в лунном реголите, это станет подтверждением того, что данный элемент действительно возникает в результате килоновых взрывов и распространяется на значительные расстояния. Следует подчеркнуть, что это первый способ, предложенный учеными для практической проверки влияния килоновых на формирование тяжелых элементов.
Йод необходим для нормальной жизнедеятельности, поскольку он входит в состав гормонов, которые регулируют множество физиологических процессов, таких как обмен веществ, рост, поддержание температуры тела и частоту сердечных сокращений. Неслучайно Карл Саган говорил: «Мы все сделаны из звездного вещества».