Kamień pozaziemski może być pierwszym dowodem wybuchu supernowej na Ziemi Ia

Nowa chemiczna „kryminalistyka” sugeruje, że kamień zwany Hypatia z egipskiej pustyni może być pierwszym znalezionym na Ziemi fizycznym dowodem wybuchu supernowej typu Ia. Rzadkie supernowe należą do najbardziej energetycznych zdarzeń we wszechświecie.

Taki jest wniosek nowego badania naukowego Jana Kramera, George’a Pelianina i Hartmuta Winklera z[{” 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.

“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.

Kamień Hypatii może być pierwszym na Ziemi konkretnym dowodem wybuchu supernowej typu Ia. Supernowe typu Ia są rzadkie — i należą do najbardziej energetycznych zdarzeń we wszechświecie. Naukowcy z UJ znaleźli spójny wzór 15 pierwiastków w kamieniu Hypatia odkrytym w Egipcie. Ten wzór bardzo różni się od wszystkiego w naszym Układzie Słonecznym lub w naszym sąsiedztwie słonecznym w[{” 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.

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.

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.

Różne analizy kamienia Hypatia w Egipcie wskazują, że nie powstał on na Ziemi ani w naszym Układzie Słonecznym. Nowe badanie pokazuje, że mógł zachować niezwykły wzór chemiczny podobny do wybuchu Supernowej Ia. Dr Georgi Pelyanin (Uniwersytet w Johannesburgu) użył wiązki protonów o napięciu 3 milionów woltów do analizy niewielkiej części kamienia. Źródło: Therese Van Wyck

nie z naszych czasów

Następnie Kramers porównał schemat koncentracji Hypatii z tym, czego można się spodziewać w pyle międzygwiazdowym w naszym słonecznym ramieniu Drogi Mlecznej.

„Sprawdziliśmy, czy wzór, który otrzymujemy z pośredniego pyłu międzygwiazdowego w ramieniu Drogi Mlecznej, pasuje do tego, co widzimy w Hypatii. Ponownie nie było absolutnie żadnego podobieństwa” – dodaje Kramers.

W tym momencie dane z wiązki protonów wykluczyły również cztery „podejrzenia”, gdzie może znajdować się Hypatia.

Hypatia nie powstała na Ziemi, nie była częścią żadnego znanego typu komety lub meteorytu i nie składała się z przeciętnego pyłu wewnętrznego Układu Słonecznego ani przeciętnego pyłu międzygwiazdowego.

Nie czerwony olbrzym

Następnym najprostszym możliwym wyjaśnieniem wzorca koncentracji pierwiastków w Hypatii byłby czerwony olbrzym. Czerwone olbrzymy są powszechne we wszechświecie.

Ale dane z wiązki protonowej wykluczyły również strumień masy z czerwonego olbrzyma: Hypatia miała za dużo żelaza, za mało krzemu i bardzo niskie stężenia ciężkich pierwiastków, cięższych od żelaza.

Nie ma supernowej typu 2

Kolejnym „podejrzanym” do rozważenia była supernowa typu II. Supernowe typu II gotują dużo żelaza. Są również stosunkowo powszechnym typem supernowych.

Po raz kolejny dane z wiązki protonowej Hypatii wykluczyły najbardziej obiecującego podejrzanego „chemikalia sądowe”. Jest wysoce nieprawdopodobne, aby supernowa typu II była źródłem egzotycznych minerałów, takich jak fosforek niklu w kamyku. W Hypatii było też znacznie więcej żelaza w porównaniu z krzemem i wapniem.

Czas zbadać przewidywaną chemię jednej z najbardziej dramatycznych eksplozji we wszechświecie.

fabryka metali ciężkich

Rzadszy rodzaj supernowej również produkuje dużo żelaza. Supernowe typu Ia pojawiają się tylko raz lub dwa razy na galaktykę w każdym stuleciu. Ale wytwarzają najwięcej żelaza (Fe) we wszechświecie. Większość stali na Ziemi była kiedyś pierwiastkiem żelaza, który został stworzony przez supernowe Ia.

Ponadto uznana nauka mówi, że niektóre supernowe Ia pozostawiają bardzo wyraźne wskazówki dotyczące „chemii sądowej”. Wynika to ze sposobu, w jaki przygotowywane są niektóre supernowe Ia.

Po pierwsze, pod koniec swojego życia, czerwony olbrzym zapada się w bardzo gęstą gwiazdę białego karła. Gwiazdy białych karłów są zwykle niewiarygodnie stabilne przez bardzo długie okresy i jest bardzo mało prawdopodobne, aby eksplodowały. Jednak są od tego wyjątki.

Biały karzeł może zacząć „wyciągać” materię z innej gwiazdy w układzie podwójnym. Można powiedzieć, że biały karzeł „pożera” swoją gwiazdę towarzyszącą. W końcu biały karzeł staje się tak ciężki, gorący i niestabilny, że eksploduje w supernową Ia.

Jak przewidują przyjęte naukowe modele teoretyczne, fuzja jądrowa podczas wybuchu supernowej Ia powinna stworzyć bardzo niezwykłe wzorce koncentracji pierwiastków.

Ponadto biały karzeł, który eksploduje w supernowej Ia, nie tylko rozpada się na małe kawałki, ale dosłownie eksploduje na atomy. Materiał Supernova Ia jest dostarczany w kosmos w postaci atomów gazu.

W kompleksowym przeszukiwaniu danych gwiazd i wyników modeli zespół nie był w stanie zidentyfikować żadnej substancji chemicznej podobnej lub najlepiej pasującej do kamienia Hypatia z określonego zestawu modeli supernowej Ia.

Elementy dowodów kryminalistycznych

„Wszystkie dane i modele teoretyczne dotyczące supernowej Ia wykazują znacznie wyższy udział żelaza niż krzemu i wapnia niż w przypadku supernowej 2” – mówi Kramers.

„Pod tym względem dane z Hypatia Proton Beam Laboratory są zgodne z danymi i modelami supernowej Ia”.

W sumie osiem z 15 analizowanych pozycji odpowiada oczekiwanym zakresom wskaźników dla żelaza. Są to pierwiastki takie jak krzem, siarka, wapń, tytan, wanad, chrom, mangan, żelazo i nikiel.

Jednak nie wszystkie z piętnastu analizowanych w Hypatii pozycji spełniają oczekiwania. W sześciu z 15 pierwiastków stosunki były od 10 do 100 razy wyższe niż zakresy przewidywane przez modele teoretyczne supernowych typu 1A. Są to pierwiastki glin, fosfor, chlor, potas, miedź i cynk.

„Ponieważ gwiazda białego karła składa się z umierającego czerwonego olbrzyma, Hypatia odziedziczyła te proporcje pierwiastków dla sześciu pierwiastków z gwiazdy czerwonego olbrzyma. Zjawisko to zaobserwowano w innych badaniach białych karłów” – dodaje Kramers.

Jeśli ta hipoteza jest poprawna, to kamień Hypatii byłby pierwszym konkretnym dowodem na Ziemi wybuchu supernowej typu Ia, jednego z najbardziej energetycznych zdarzeń we wszechświecie.

Kamień Hypatii będzie dowodem kosmicznej historii, która rozpoczęła się we wczesnym okresie formowania się naszego Układu Słonecznego i została odnaleziona wiele lat później na odległej pustyni usianej innymi kamykami.

Odniesienie: „The Chemistry of Extraterrestrial Carboniferous Stone” Hypatia: A Perspective on Dust Heterogenity in Interstellar Space” Jan D. Kramers, Georgy A. Ikar.
DOI: 10.1016 / j.icarus.2022.115043