Извънземният камък може да е първото доказателство на Земята за експлозия на Supernova Ia

3 грама (0,1 унция) проба от камъка Хипатия. Изследователите са открили последователен модел от 15 елемента в камъка Хипатия. Моделът е напълно различен от нищо в нашата слънчева система или нашия слънчев квартал в Млечния път. 1 кредит

Новата криминалистична химия показва, че камъкът на име Хипатия от египетската пустиня може да е първото физическо доказателство, открито на Земята за експлозия на свръхнова тип Ia. Тези редки свръхнови са сред най-енергичните събития във Вселената.

Това е заключението на ново проучване на Ян Крамерс, Георги Белянин и Хартмут Винклер от[{” 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.

Камъкът Хипатия може да е първото твърдо доказателство на Земята за експлозия на свръхнова тип Ia. Свръхновите тип Ia са редки и са сред най-енергичните събития във Вселената. Изследователи от UJ са открили последователен модел от 15 елемента в камъка Хипатия, открит в Египет. Моделът е напълно различен от нищо в нашата слънчева система или нашия слънчев квартал в[{” 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.

Различни анализи на камъка Хипатия в Египет показват, че той не се е образувал на Земята или в нашата слънчева система. Ново проучване показва, че може да е запазил необичаен химически модел, подобен на този при експлозия на свръхнова Ia. Д-р Георги Белянин (Университета в Йоханесбург) използва протонен лъч от 3 милиона волта, за да анализира малък фрагмент от камъка. Кредит: Тереза ​​ван Уик

Не от нашия квартал

След това Крамърс сравни модела на концентрация на елемента Хипатия с това, което човек би очаквал да види в праха между звездите в слънчевата ръка на нашата галактика Млечен път.

„Потърсихме да видим дали моделът, който получаваме от средния междузвезден прах в ръката на галактиката Млечния път, съвпада с това, което виждаме в Хипатия. Отново нямаше прилика“, добавя Крамърс.

Към този момент данните от протонния лъч също са изключили четирима „подозрителни“ за това къде може да се е образувала Хипатия.

Хипатия не се е образувала на земята, не е била част от нито един известен тип комета или метеорит, не се е образувала от средния прах на вътрешната слънчева система или от средния междузвезден прах.

Не е червен гигант

Следващото възможно най-просто обяснение за модела на концентрация на елементи в Хипатия би било червен гигантска звезда. Червените гигантски звезди са често срещани във Вселената.

Но данните за протонния лъч също изключват масов изтичане от червен гигант: Хипатия има твърде много желязо, твърде малко силиций и твърде ниски концентрации на тежки елементи, по-тежки от желязото.

Нито свръхнова тип II

Следващият „заподозрян“, който трябва да се обмисли, беше свръхнова тип II. Свръхновите тип II готвят много желязо. Това също е сравнително често срещан тип свръхнова.

Отново данните за протонния лъч за Хипатия изключиха обещаващ заподозрян със „съдебна химия“. Свръхнова тип II е много малко вероятна като източник на странни минерали като никелов фосфид в камъчето. В Хипатия също имаше твърде много желязо в сравнение със силиций и калций.

Време беше да разгледаме отблизо прогнозираната химия на една от най-зрелищните експлозии във Вселената.

фабрика за тежки метали

По-рядък тип свръхнова също произвежда много желязо. Свръхновите от тип Ia се появяват само веднъж или два пъти на галактика на век. Но те правят по-голямата част от желязото (Fe) във Вселената. По-голямата част от стоманата на земята някога е била елементът желязо, създаден от свръхнова Ia.

Освен това установената наука показва, че някои Ia свръхнови оставят след себе си много отличителни улики от „съдебна химия“. Това се дължи на начина, по който са конфигурирани някои Ia свръхнови.

Първо, една червена гигантска звезда в края на живота си колабира в много плътно бяло джудже. Звездите на белите джуджета обикновено са невероятно стабилни за много дълги периоди от време и е малко вероятно да избухнат. Има обаче изключения от това.

Звезда от бяло джудже може да започне да “дърпа” материал от друга звезда в двоична система. Можем да кажем, че звездата бяло джудже „изяжда” своята звезда спътник. В крайна сметка бялото джудже става толкова тежко, горещо и нестабилно, че експлодира в свръхнова Ia.

Очаква се ядреният синтез по време на експлозията на Supernova Ia да създаде изключително необичайни модели на концентрация на елементи, както се предвижда от приетите научни теоретични модели.

Нещо повече, бялата звезда джудже, която избухва в свръхнова Ia, не само се свежда до трохи, но буквално се свежда до атоми. Материята от свръхнова Ia се изпраща в космоса под формата на газови атоми.

В обширно литературно търсене на данни за звезди и резултати от модела, екипът не можа да идентифицира подобно или по-добро химическо съответствие за камъка Хипатия от специфичен набор от модели на свръхнова Ia.

Доказателство за криминалистични елементи

„Всички данни за Supernova Ia и теоретични модели показват много по-високи пропорции на желязо към силиций и калций в сравнение с моделите на Supernova II“, казва Крамърс.

„В това отношение данните от лабораторията на протонния лъч на Хипатия съвпадат с данните и моделите на свръхнова Ia.“

Общо осем от 15-те анализирани елемента са в рамките на очакваните пропорционални диапазони по отношение на желязото. Това са елементите силиций, сяра, калций, титан, ванадий, хром, манган, желязо и никел.

Въпреки това, 15-те елемента, анализирани в Hypatia, не отговарят всички на предсказанията. В шест от 15-те елемента пропорциите са между 10 и 100 пъти по-високи от диапазоните, предвидени от теоретичните модели за свръхнови от тип 1A. Това са елементите алуминий, фосфор, хлор, калий, мед и цинк.

„Тъй като звезда бяло джудже се образува от умиращ червен гигант, Хипатия би могла да наследи тези пропорции на елементите за шестте елемента на червения гигант. Това явление е наблюдавано при бели джуджета в други изследвания“, добавя Крамърс.

Ако тази хипотеза е вярна, камъкът Хипатия би бил първото осезаемо доказателство на Земята за експлозия на свръхнова тип Ia, едно от най-енергичните събития във Вселената.

Камъкът Хипатия ще бъде ключ към космическа история, започнала по време на ранното формиране на нашата слънчева система и ще свърши много години по-късно в далечна пустиня, осеяна с други камъчета.

Справка: „Химията на извънземния въглероден камък „Хипатия“: перспектива върху хетерогенността на праха в междузвездното пространство“ от Ян Д. Крамерс, Георги А. Белянин, Войчех Й. Пшибилович, Хартмут Винклер и Марко АГ Андреоли, април АГ , 2022 г., Икар.
DOI: 10.1016/j.icarus.2022.115043

Add Comment