Ванземаљски камен могао би бити први доказ на Земљи о експлозији супернове Иа

Нови хемијски „форензичари“ сугеришу да би камен по имену Хипатија из египатске пустиње могао бити први пронађени физички доказ на Земљи о експлозији супернове типа Иа. Ретке супернове спадају међу најенергичније догађаје у универзуму.

То је закључак нове истраживачке студије Јана Крамера, Џорџа Пелијанина и Хартмута Винклера из[{“ 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.

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.

хттпс://ввв.иоутубе.цом/ватцх?в=вОА6и6аеиоЕ
Камен Хипатија могао би бити први конкретан доказ на Земљи о експлозији супернове типа Иа. Супернове типа Иа су ретке – и неке од најенергетнијих догађаја у универзуму. Истраживачи УЈ пронашли су конзистентан образац од 15 елемената у камену Хипатија откривеном у Египту. Овај образац се веома разликује од било чега у нашем соларном систему или нашем соларном суседству[{“ 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.

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.

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.

хттпс://ввв.иоутубе.цом/ватцх?в=ах8д88бтд3ц
Различите анализе камена Хипатије у Египту указују да се он није формирао на Земљи или унутар нашег Сунчевог система. Нова студија показује да је можда сачувао необичан хемијски образац сличан оном од експлозије Супернове Иа. Др Георги Пељанин (Универзитет у Јоханесбургу) користио је протонски сноп од 3 милиона волти да анализира мали део камена. Заслуге: Тхересе Ван Вицк

не из нашег времена

Крамерс је затим упоредио образац концентрације Хипатије са оним што би се очекивало да се види у међузвезданој прашини у нашем соларном краку Млечног пута.

„Потражили смо да видимо да ли образац који добијамо од међузвездане прашине у краку Млечног пута одговара ономе што видимо у Хипатији. Опет, није било апсолутно никакве сличности“, додаје Крамерс.

У овом тренутку, подаци о протонском снопу такође су искључили четири „осумњичена“ о томе где би Хипатија могла бити.

Хипатија није настала на Земљи, није била део ниједне познате врсте комете или метеорита, и није настала од просечне прашине унутрашњег Сунчевог система, а ни од просечне међузвездане прашине.

Није црвени џин

Следеће најједноставније могуће објашњење за Хипатијин образац концентрације елемената би била звезда црвеног гиганта. Звезде црвених џинова су уобичајене у универзуму.

Али подаци о протонском снопу такође су искључили флукс масе из звезде црвеног гиганта: Хипатија је имала превише гвожђа, премало силицијума и веома ниске концентрације тешких елемената тежих од гвожђа.

Не постоји супернова типа 2

Следећи „осумњичени“ за разматрање била је супернова типа ИИ. Супернове типа ИИ кувају много гвожђа. Они су такође релативно чест тип супернове.

Још једном, подаци Хипатијиног протонског снопа искључили су најперспективнијег осумњиченог за „форензичку хемикалију“. Мало је вероватно да је супернова типа ИИ извор егзотичних минерала као што је никл фосфид у шљунку. Такође је било много више гвожђа у Хипатији у поређењу са силицијумом и калцијумом.

Време је да испитамо предвиђену хемију једне од најдраматичнијих експлозија у свемиру.

фабрика тешких метала

Ређа врста супернове такође производи много гвожђа. Супернове типа Иа се јављају само једном или два пута по галаксији сваког века. Али они праве највише гвожђа (Фе) у универзуму. Већина челика на Земљи је некада била елемент гвожђа, који су створиле Иа супернове.

Такође, утврђена наука каже да неке Иа супернове остављају за собом врло јасне трагове о „форензичкој хемији“. То је због начина на који су неке Иа супернове припремљене.

Прво, на крају свог живота, звезда црвеног гиганта колабира у веома густу звезду белог патуљка. Звезде белих патуљака су обично невероватно стабилне током веома дугих периода и мало је вероватно да ће експлодирати. Међутим, постоје изузеци од овога.

Звезда белог патуљка може да почне да „вуче“ материју са друге звезде у бинарном систему. Могло би се рећи да бели патуљак „прождире“ своју звезду пратиоца. На крају, бели патуљак постаје толико тежак, врућ и нестабилан да експлодира у супернову Иа.

Нуклеарна фузија током експлозије супернове Иа би требало да створи веома необичне обрасце концентрације елемената, као што предвиђају прихваћени научни теоријски модели.

Такође, звезда белог патуљака која експлодира у супернови Иа не само да се разбија у ситне делове, већ буквално експлодира у атоме. Материјал Супернове Иа се испоручује у свемир у облику атома гаса.

У свеобухватној претрази података о звездама и резултата модела, тим није успео да идентификује ниједну хемикалију сличну или најприкладнију за камен Хипатије из специфичног скупа модела супернове Иа.

Елементи форензичких доказа

„Сви подаци о супернови Иа и теоријски модели показују много веће пропорције гвожђа од силицијума и калцијума него модели супернове 2“, каже Крамерс.

„У том погледу, подаци из лабораторије Хипатиа Протон Беам су у складу са подацима и моделима Иа супернове.

Укупно, осам од 15 анализираних ставки одговара очекиваним распонима односа за гвожђе. То су елементи силицијум, сумпор, калцијум, титанијум, ванадијум, хром, манган, гвожђе и никл.

Међутим, нису сви од петнаест анализираних ставки у Хипатији испунили очекивања. У шест од 15 елемената, односи су били 10 до 100 пута већи од распона предвиђених теоријским моделима за супернове типа 1А. То су елементи алуминијум, фосфор, хлор, калијум, бакар и цинк.

„Пошто се звезда белог патуљка састоји од умирућег црвеног џина, Хипатија је наследила ове пропорције елемената за шест елемената од звезде црвеног џина. Овај феномен је примећен код белих патуљака у другим истраживањима“, додаје Крамерс.

Ако је ова хипотеза тачна, онда би камен Хипатија био први конкретан доказ на Земљи о експлозији супернове типа Иа, једном од најснажнијих догађаја у универзуму.

Камен Хипатија биће доказ космичке приче која је почела током раног формирања нашег Сунчевог система, а пронађена је много година касније у забаченој пустињи посутој другим каменчићима.

Референца: „Хемија ванземаљског камена карбона” Хипатија: перспектива хетерогености прашине у међузвезданом свемиру” од Јан Д. Крамерс, Георги А. Ицарус.
ДОИ: 10.1016 / ј.ицарус.2022.115043