Gravitacijski valovi bi mogli biti ključni za postojanje života

Odakle dolazi život kakvog poznajemo? Kako je život na Zemlji postao moguć? Postoji li život samo na Zemlji? Ili je moguće da je život rasprostranjen ne samo kroz našu galaksiju već i kroz cijeli svemir? To su neka od pitanja na koja znanstvenici pokušavaju pronaći odgovore. I unatoč činjenici da još uvijek ne znamo odgovore, čini se da se približavamo razumijevanju nekih od njih. Sada, u novom istraživanju, pojavio se neočekivani element. Gravitacijski valovi.

Postavlja se pitanje može li ljudska egzistencija biti usko povezana s gravitacijskim valovima. Prema istraživanju koje vodi John R. Ellis s King’s Collegea London, neki esencijalni elementi našeg biološkog sastava mogući su zahvaljujući astrofizičkim događajima koji su posljedica postojanja gravitacijskih valova. Konkretno, prisutnost joda i broma na Zemlji možemo zahvaliti specifičnom nuklearnom procesu koji nastaje tijekom sudara neutronskih zvijezda. Ti sudari, uzrokovani emisijom energije u obliku gravitacijskih valova od strane parova neutronskih zvijezda koje orbitiraju jedna oko druge, mogli bi direktno doprinijeti postojanju sisavaca na Zemlji.

Kluöni elementi za život

Ljudsko tijelo u osnovi se sastoji od vodika, ugljika i kisika, uz niz drugih elemenata u tragovima. Postoji dvadeset elemenata koji su esencijalni za održavanje ljudskog života. Elementi s atomskim brojem manjim od 35 uglavnom nastaju u supernovama, zvijezdama koje su potrošile svoje nuklearno gorivo i implozirale, raspršujući svoje atome kroz svemir. Međutim, jod i brom dobivamo na drugačiji način – jod je ključan za proizvodnju vitalnih hormona u štitnjači, dok je brom važan za formiranje kolagenih struktura koje su temelj za razvoj i strukturu tkiva. Radioaktivni raspad torija i urana unutar Zemlje igra indirektan, ali važan, ulogu u zagrijavanju litosfere i omogućavanju tektonskih pokreta. Ti pokreti ploča ključni su za ciklus uklanjanja ugljika iz zemljine kore, koji se dalje iz atmosfere apsorbira reakcijom s vodom, ugljičnim dioksidom i silikatima, čime se sprječava mogućnost stakleničkog efekta sličnog onom na Veneri.

Oko polovice atomskih elemenata težih od željeza na Zemlji nastaje putem “r-procesa“, brzog procesa hvatanja neutrona. R-proces započinje kada teška atomska jezgra uhvati niz slobodnih neutrona prije nego što dođe do raspada, obično beta raspada. Pri visokoj gustoći slobodnih neutrona, procijenjenoj na oko 10^24 po kubičnom centimetru, i pri visokim temperaturama, približno milijardi Kelvina, neutroni se apsorbiraju, što rezultira sintezom težih izotopa elemenata. Ellis i njegov tim utvrdili su da je r-proces zaslužan za 96% prisutnosti izotopa 127I na Zemlji, koji je neophodan za ljudski život, te većinu broma i gadolinija u zemljinoj kori, zajedno sa savim torijem i uranom, a dijelom i molibdenom i kadmijem. R-proces se najčešće odvija tijekom izbacivanja materijala uslijed kolapsa jezgre supernove, eksplozija zvijezda na završetku njihovog termonuklearnog životnog ciklusa. Detalji ovog složenog procesa i dalje su predmet intenzivnih znanstvenih istraživanja.

Spajanje neutronskih zvijezda

Jedan fenomen u kojem se javlja r-proces je spajanje dviju neutronskih zvijezda, poznat kao kilonova, proces koji izravno pokreću gravitacijski valovi. Dok se par neutronskih zvijezda spiralno približava kroz stotine milijuna godina, emitira se ogromna količina energije u obliku gravitacijskih valova, posebice u trenucima neposredno prije njihovog sudara. Jedan takav događaj, gravitacijski val GW170817, zabilježen je 2017. godine u opservatorijima gravitacijskih valova LIGO i Virgo u Sjedinjenim Američkim Državama, gdje je izmjerena ogromna energija – bilijuni bilijuna vata u samo nekoliko posljednjih milisekundi. Eksplozije kilonova predstavljaju ključna mjesta za r-proces, s obzirom na to da su neutronskie zvijezde gotovo isključivo sačinjene od neutrona. Pored detekcije gravitacijskih valova, GW170817 je detektiran i u elektromagnetskom spektru od strane drugih opservatorija, koje su pronašle spektroskopske dokaze o materijalu nastalom uslijed spajanja.

U zaključku rada ističe se da je jod, ključan za ljudski život, “vjerojatno proizveden r-procesom u sudarima neutronskih zvijezda koje su pokrenuli gravitacijski valovi, kao i drugi teški elementi vitalni za život.” Autori sugeriraju istraživanje izotopa 129I u lunarnom regolitu, koji nije zagađen antropogenim izvorima. “Sudari neutronskih zvijezda događaju se zato što binarni sustavi gube energiju emitirajući gravitacijske valove,” pojašnjava Ellis, “stoga bi ti temeljni fizikalni fenomeni mogli biti ključni za postojanje ljudskog života.” Njihovo istraživanje, pod naslovom “Dugujemo li svoje postojanje gravitacijskim valovima?”, dostupno je na otvorenom serveru arXiv.