Ανθρώπινη Ύπαρξη και Βαρυτικά Κύματα

«Οφείλουμε την ύπαρξή μας στα βαρυτικά κύματα; (Do we Owe our Existence to Gravitational Waves?)», είναι ο τίτλος της εργασίας των φυσικών John Ellis, Brian D. Fields και Rebecca Surman που δημοσιεύθηκε την περασμένη εβδομάδα στον ιστότοπο arxiv.org. Πως συνδέονται τα βαρυτικά κύματα με την ανθρώπινη ύπαρξη; Σύμφωνα με τους Ellis et al, τα βαρυτικά κύματα καθορίζουν την εξέλιξη δυαδικών συστημάτων από άστρα νετρονίων που περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο. Λόγω της εκπομπής βαρυτικών κυμάτων, το ζεύγος σταδιακά χάνει ενέργεια και η απόσταση μεταξύ τους μειώνεται μέχρις ότου φτάσουμε στην τελική σύγκρουση-συγχώνευση, ένα γεγονός που στην αστροφυσική αναφέρεται ως κιλονόβα (kilonova). Και κατά την διάρκεια της σύγκρουσης άστρων νετρονίων (κιλονόβα) προκαλείται πυρηνοσύνθεση διαμέσου της οποίας παράγονται στοιχεία χωρίς τα οποία … η ύπαρξη του ανθρώπινου οργανισμού θα ήταν αδύνατη!

Σύγκριση της μετρημένης αφθονίας στοιχείων στον φλοιό της Γης (διακεκομμένη γραμμή) με αυτή που προκύπτει κατά την αστροφυσική διαδικασία πυρηνοσύνθεσης r-process. Περιλαμβάνονται τα στοιχεία βρώμιο, ιώδιο, θόριο και ουράνιο, τα οποία σχετίζονται με τη ζωή στη Γη. Οι βαρύτεροι πυρήνες μπορούν να δημιουργηθούν στο εσωτερικό άστρων, που βρίσκονται στα τελευταία στάδια της ζωής τους, με δυο αστροφυσικές διαδικασίες πυρηνοσύνθεσης: την αργή διαδικασία (s-process) που περιλαμβάνει σύλληψη νετρονίων από βαρείς πυρήνες σε περιοχές με μικρή πυκνότητα νετρονίων καθώς επίσης και την γρήγορη διαδικασία (r-process), η οποία πραγματοποιείται όταν έχουμε μεγάλες πυκνότητες νετρονίων. Η r-διαδικασία πραγματοποιείται κατά την διάρκεια της έκρηξης των σουπερνόβα, αλλά και όταν συγκρούονται άστρα νετρονίων (κιλονόβα). Είναι υπεύθυνη για την παραγωγή της μεγαλύτερης ποσότητας στοιχείων πολύ βαρύτερων από τον σίδηρο (πυρήνες με μαζικούς αριθμούς Α> 80), συμπεριλαμβανομένων του χρυσού, του θορίου και του πλουτωνίου. Το ανθρώπινο σώμα αποτελείται κυρίως από τα στοιχεία υδρογόνο, άνθρακα, οξυγόνο, άζωτο και μικρότερες ποσότητες άλλων στοιχείων. Ο συνολικός αριθμός των στοιχείων που κρίνονται απαραίτητα για τη ζωή υπερβαίνει τα 20. Τα περισσότερα από αυτά έχουν ατομικούς αριθμούς Z < 35 και παράγονται κατά την διάρκεια των εκρήξεων σουπερνόβα. Ωστόσο, ξεχωρίζουν δύο βαρύτερα βασικά στοιχεία για την ανθρώπινη βιολογία που παράγονται κυρίως από την αστροφυσική διαδικασία r: το ιώδιο με Z = 53, που είναι συστατικό των ορμονών του θυρεοειδούς, ο οποίος με τη σειρά του επηρεάζει σημαντικές λειτουργίες του ανθρώπινου οργανισμού, όπως ο μεταβολισμός, η καρδιακή δραστηριότητα, η ανάπλαση των οστών κ.α. και το βρώμιο με Z = 35, που διαδραματίζει ρόλο στο κεντρικό νευρικό σύστημα, την ανάπτυξη και την αρχιτεκτονική των ιστών κλπ. Υπάρχουν και κάποια άλλα βαριά στοιχεία που παράγονται διαμέσου της διαδικασίας r τα οποία είτε είναι άμεσα χρήσιμα για τον ανθρώπινο οργανισμό, όπως το μολυβδαίνιο (Z=43) που εμπλέκεται στο μεταβολισμό των αμινοξέων, είτε έμμεσα παίζουν ρόλο στην εξέλιξη της ζωής στη Γη (και πιθανόν σε εξωπλανήτες που μοιάζουν με τη Γη), όπως το ουράνιο και το θόριο που βρίσκονται στο εσωτερικό της Γης και οι διασπάσεις των ραδιοϊσοτόπων τους 235,238U και 232Th, δημιουργούν πάνω από το 50% της γεωθερμικής ενέργειας. Τα βαριά στοιχεία που υπάρχουν στον φλοιό της Γης έχουν παραχθεί από έναν συνδυασμό των αστροφυσικών διαδικασιών r και s. Το 96% της αφθονίας του 127I στον φλοιό της Γης – στοιχείο απαραίτητο στον ανθρώπινο οργανισμό-, παράγεται διαμέσου της διαδικασίας r. Η διαδικασία r υπολογίζεται επίσης ότι παρείχε το μεγαλύτερο μέρος της αφθονίας βρωμίου και γαδολινίου στον φλοιό της Γης, το σύνολο του θορίου και ουρανίου και ένα κλάσμα του μολυβδαινίου και του καδμίου. Υποστηρίζεται λοιπόν, θεωρητικά και παρατηρησιακά, ότι η γρήγορη (r) πυρηνοσύνθεση βαρέων στοιχείων απαραίτητων για την ανθρώπινη ύπαρξη – όπως το ιώδιο και το βρώμιο-, πραγματοποιείται κατά την διάρκεια των συγκρούσεων άστρων νετρονίων ή κιλονόβα. Κι αφού τα κιλονόβα προκαλούνται από βαρυτικά κύματα, ο Ellis και οι συνεργάτες του, αναρωτιούνται με φιλοσοφική διάθεση αν τελικά ‘οφείλουμε την ύπαρξή μας στα βαρυτικά κύματα;’. Προτείνουν μάλιστα κι έναν τρόπο επιβεβαίωσης της άποψής τους: να αναζητηθούν ισότοπα (όπως το ιώδιο-129) στην επιφάνεια της Σελήνης, που πιθανόν να προέκυψαν από κάποια πρόσφατη κοντινή έκρηξη κιλονόβα. διαβάστε περισσότερα: https://arxiv.org/abs/2402.03593