Piatra extraterestră ar putea fi prima dovadă de pe Pământ a exploziei unei supernove Ia

O probă de 3 grame (0,1 uncii) de piatră Hypatia. Cercetătorii au descoperit un model consistent de 15 elemente în piatra Hypatia. Modelul este complet diferit de orice din sistemul nostru solar sau din vecinătatea noastră solară, în Calea Lactee. Credit: Romano Serra

Noile „medicine legale” chimice indică faptul că piatra numită Hypatia din deșertul egiptean ar putea fi prima dovadă fizică găsită pe Pământ a unei explozii de supernovă de tip Ia. Aceste supernove rare sunt unele dintre cele mai energice evenimente din univers.

Aceasta este concluzia unui nou studiu de cercetare realizat de Jan Kramers, Georgy Belyanin și Hartmut Winkler de la[{” attribute=””>University of Johannesburg, and others that has been published in the journal Icarus.

Since 2013, Belyanin and Kramers have discovered a series of highly unusual chemistry clues in a small fragment of the Hypatia Stone.

In the new research, they meticulously eliminate ‘cosmic suspects’ for the origin of the stone in a painstaking process. They have pieced together a timeline stretching back to the early stages of the formation of Earth, our Sun, and the other planets in our solar system.

A cosmic timeline

Their hypothesis about Hypatia’s origin starts with a star: A red giant star collapsed into a white dwarf star. The collapse would have happened inside a gigantic dust cloud, also called a nebula.

That white dwarf found itself in a binary system with a second star. The white dwarf star eventually ‘ate’ the other star. At some point, the ‘hungry’ white dwarf exploded as a supernova type Ia inside the dust cloud.

After cooling, the gas atoms which remained of the supernova Ia started sticking to the particles of the dust cloud.

Extraterrestrial Hypatia Stone May Be First Tangible Evidence of a Supernova Explosion

The tiny samples of the extraterrestrial Hypatia stone next to a small coin. Rare type Ia supernovas are some of the most energetic events in the universe. Researchers found a consistent pattern of 15 elements in the Hypatia stone. The pattern is completely unlike anything in our solar system or our solar neighborhood, the Milky Way. Prof Jan Kramers (University of Johannesburg) is the lead author. Credit: Jan Kramers

“In a sense we could say, we have ‘caught’ a supernova Ia explosion ‘in the act’, because the gas atoms from the explosion were caught in the surrounding dust cloud, which eventually formed Hypatia’s parent body,” says Kramers.

A huge ‘bubble’ of this supernova dust-and-gas-atoms mix never interacted with other dust clouds.

Millions of years would pass, and eventually the ‘bubble’ would slowly become solid, in a ‘cosmic dust bunny’ kind of way. Hypatia’s ‘parent body’ would become a solid rock sometime in the early stages of formation of our solar system.

This process probably happened in a cold, uneventful outer part of our solar system – in the Oort cloud or in the Kuiper belt.

At some point, Hypatia’s parent rock started hurtling towards Earth. The heat of entry into the earth’s atmosphere, combined with the pressure of impact in the Great Sand Sea in southwestern Egypt, created micro-diamonds and shattered the parent rock.

The Hypatia stone picked up in the desert must be one of many fragments of the original impactor.

Piatra Hypatia ar putea fi prima dovadă tangibilă de pe Pământ a unei explozii de supernovă de tip Ia. Supernovele de tip Ia sunt rare și unele dintre cele mai energice evenimente din univers. Cercetătorii UJ au descoperit un model consistent de 15 elemente în piatra Hypatia descoperită în Egipt. Modelul este complet diferit de orice din sistemul nostru solar sau din vecinătatea noastră solară din[{” attribute=””>Milky Way. But most of the elements match the pattern of supernova type Ia models. Prof Jan Kramers (University of Johannesburg) is the lead author. Credit: Therese van Wyk

“If this hypothesis is correct, the Hypatia stone would be the first tangible evidence on Earth of a supernova type Ia explosion. Perhaps equally important, it shows that an individual anomalous ‘parcel’ of dust from outer space could actually be incorporated in the solar nebula that our solar system was formed from, without being fully mixed in,” says Kramers.

“This goes against the conventional view that dust which our solar system was formed from, was thoroughly mixed.”

Three million volts for a tiny sample

To piece together the timeline of how Hypatia may have formed, the researchers used several techniques to analyze the strange stone.

In 2013, a study of the argon isotopes showed the rock was not formed on earth. It had to be extraterrestrial. A 2015 study of noble gases in the fragment indicated that it may not be from any known type of meteorite or comet.

High-Voltage Proton Beam Data for Stone Formed Outside Solar System

A high-voltage proton beam shows three trace elements in the extraterrestrial Hypatia stone, and their concentrations. Here, we see sulphur, iron and nickel for targets 1 and 2 within region 14 on the sample. Dr Georgy Belyanin (University of Johannesburg) used a 3-million Volt proton beam to analyse the tiny fragment of the stone. Credit: Georgy Belyanin

In 2018 the UJ team published various analyses, which included the discovery of a mineral, nickel phosphide, not previously found in any object in our solar system.

At that stage Hypatia was proving difficult to analyze further. The trace metals Kramers and Belyanin were looking for, couldn’t really be ‘seen in detail’ with the equipment they had. They needed a more powerful instrument that would not destroy the tiny sample.

Kramers started analyzing a dataset that Belyanin had created a few years before.

In 2015, Belyanin had done a series of analyses on a proton beam at the iThemba Labs in Somerset West. At the time, Dr. Wojciech Przybylowicz kept the three-million Volt machine humming along.

In search of a pattern

“Rather than exploring all the incredible anomalies Hypatia presents, we wanted to explore if there is an underlying unity. We wanted to see if there is some kind of consistent chemical pattern in the stone,” says Kramers.

Belyanin carefully selected 17 targets on the tiny sample for analysis. All were chosen to be well away from the earthly minerals that had formed in the cracks of the original rock after its impact in the desert.

“We identified 15 different elements in Hypatia with much greater precision and accuracy, with the proton microprobe. This gave us the chemical ‘ingredients’ we needed, so Jan could start the next process of analyzing all the data,” says Belyanin.

Distinctive Pattern Matching Elements in Supernova Ia Model

UJ researchers find that most of the elements they analysed in the extraterrestrial Hypatia stone fit the predictions from supernova Ia models well. The high-voltage proton beam data shows that for 9 of the 15 elements, concentrations are close to the predicted values. Prof Jan Kramers (University of Johannesburg) is the lead author. Credit: Jan Kramers

Proton beam also rules out solar system

The first big new clue from the proton beam analyses was the surprisingly low level of silicon in the Hypatia stone targets. The silicon, along with chromium and manganese, were less than 1% to be expected for something formed within our inner solar system.

Further, high iron, high sulfur, high phosphorus, high copper, and high vanadium were conspicuous and anomalous, adds Kramers.

“We found a consistent pattern of trace element abundances that is completely different from anything in the solar system, primitive or evolved. Objects in the asteroid belt and meteors don’t match this either. So next we looked outside the solar system,” says Kramers.

Diverse analize ale pietrei Hypatia din Egipt indică faptul că nu s-a format pe Pământ sau în sistemul nostru solar. Un nou studiu arată că este posibil să fi păstrat un model chimic neobișnuit, similar cu cel al exploziei unei supernove Ia. Dr. Georgy Belyanin (Universitatea din Johannesburg) a folosit un fascicul de protoni de 3 milioane de volți pentru a analiza un mic fragment de piatră. Credit: Teresa van Wyk

nu din cartierul nostru

Kramers a comparat apoi modelul de concentrare a elementelor Hypatiei cu ceea ce ne-am aștepta să vedem în praful dintre stele din brațul nostru solar al Căii Lactee.

„Am vrut să vedem dacă modelul pe care îl obținem din praful interstelar mediu din brațul nostru Calea Lactee se potrivește cu ceea ce vedem în Hypatia. Încă o dată, nu a existat nicio asemănare”, adaugă Kramers.

În acest moment, datele fasciculului de protoni au exclus și patru „suspecți” de unde s-ar fi putut forma Hypatia.

Hypatia nu s-a format pe Pământ, nu a făcut parte din niciun tip cunoscut de cometă sau meteorit, nu s-a format din praful mediu al sistemului solar interior și nu s-a format din praful interstelar mediu.

Nu este o gigantă roșie

Următoarea cea mai simplă explicație posibilă pentru modelul de concentrare a elementelor din Hypatia ar fi o stea gigantică roșie. Stelele gigantice roșii sunt comune în univers.

Dar datele fasciculului de protoni au exclus și producția de masă a unei stele gigantice roșii: Hypatia avea prea mult fier, prea puțin siliciu și concentrații prea scăzute de elemente grele, mai grele decât fierul.

Nu o supernova de tip II

Următorul „suspect” de luat în considerare a fost o supernova de tip II. Supernovele de tip II gătesc mult fier. Ele sunt, de asemenea, un tip relativ comun de supernova.

Din nou, datele fasciculului de protoni ale Hypatiei au exclus un suspect promițător cu „chimie criminalistică”. O supernova de tip II era foarte puțin probabilă ca sursă de minerale ciudate, cum ar fi fosfura de nichel din pietricele. De asemenea, era prea mult fier în Hypatia în comparație cu siliciu și calciu.

Era timpul să aruncăm o privire mai atentă asupra chimiei prezise a uneia dintre cele mai dramatice explozii din univers.

fabrica de metale grele

Un tip mai rar de supernovă produce, de asemenea, mult fier. Supernovele de tip Ia apar doar o dată sau de două ori pe galaxie pe secol. Dar ei produc cea mai mare parte a fierului (Fe) din univers. Majoritatea oțelului de pe pământ a fost cândva elementul fier creat de supernove.

În plus, știința consacrată spune că unele supernove Ia lasă indicii foarte distinctive de „chimie criminalistică”. Acest lucru se datorează modului în care sunt configurate unele supernove Ia.

În primul rând, o stea uriașă roșie la sfârșitul vieții se prăbușește într-o stea pitică albă foarte densă. Stelele pitice albe sunt de obicei incredibil de stabile pentru perioade foarte lungi și este foarte puțin probabil să explodeze. Cu toate acestea, există excepții de la aceasta.

O stea pitică albă ar putea începe să „smulge” materie dintr-o altă stea într-un sistem binar. Se poate spune că steaua pitică albă „își mănâncă” steaua însoțitoare. În cele din urmă, pitica albă devine atât de grea, fierbinte și instabilă încât explodează într-o supernova Ia.

Fuziunea nucleară în timpul exploziei supernovei Ia ar trebui să creeze modele de concentrare a elementelor foarte neobișnuite, așa cum sunt prezise de modelele teoretice științifice acceptate.

În plus, steaua pitică albă care explodează într-o supernova Ia nu se sparge doar, ci se sparge literalmente în atomi. Materia supernova Ia este lansată în spațiu sub formă de atomi de gaz.

Într-o căutare extinsă a literaturii de date a stelei și a rezultatelor modelului, echipa nu a reușit să identifice nicio potrivire chimică similară sau mai bună pentru piatra Hypatia decât un set specific de modele de supernova Ia.

Evidența elementelor criminalistice

„Toate datele și modelele teoretice ale supernovei Ia arată proporții mult mai mari de fier în comparație cu siliciul și calciul decât modelele supernovei II”, spune Kramers.

„În acest sens, datele de la laboratorul cu fascicul de protoni din Hypatia se potrivesc cu datele și modelele supernovei Ia”.

În total, opt dintre cele 15 elemente analizate se încadrează în intervalele de raporturi așteptate pentru fier. Acestea sunt elementele siliciu, sulf, calciu, titan, vanadiu, crom, mangan, fier și nichel.

Cu toate acestea, nu toate cele 15 elemente analizate în Hypatia se potrivesc cu predicțiile. Pentru șase din cele 15 elemente, rapoartele au fost între 10 și 100 de ori mai mari decât intervalele prezise de modelele teoretice pentru supernovele de tip 1A. Acestea sunt elementele aluminiu, fosfor, clor, potasiu, cupru și zinc.

„Deoarece o stea pitică albă se formează dintr-o gigantă roșie pe moarte, Hypatia ar fi putut moșteni aceste proporții de elemente pentru cele șase elemente ale unei stele gigantice roșii. Acest fenomen a fost observat la stelele pitice albe în alte investigații”, adaugă Kramers.

Dacă această ipoteză este corectă, piatra Hypatia ar fi prima dovadă tangibilă de pe Pământ a unei explozii de supernovă de tip Ia, unul dintre cele mai energice evenimente din univers.

Piatra Hypatia ar fi un indiciu al unei istorii cosmice care a început în timpul formării timpurii a sistemului nostru solar și ar fi găsită mulți ani mai târziu într-un deșert îndepărtat, presărat cu alte pietricele.

Referință: „Chimia pietrei carbonice extraterestre „Hypatia”: o perspectivă asupra eterogenității prafului în spațiul interstelar” de Jan D. Kramers, Georgy A. Belyanin, Wojciech J. Przybylowicz, Hartmut Winkler și Marco AG Andreoli, 22 aprilie 2022, icar.
DOI: 10.1016/j.icarus.2022.115043

Add Comment