Внеземной камень может стать первым на Земле свидетельством взрыва сверхновой Ia

Образец камня Гипатии весом 3 грамма (0,1 унции). Исследователи обнаружили в камне Гипатии последовательную структуру из 15 элементов. Этот паттерн сильно отличается от всего, что есть в нашей Солнечной системе или в нашем солнечном районе, в Млечном Пути. Кредит: Романо Серра

Новая химическая «судебная экспертиза» предполагает, что камень под названием Гипатия из египетской пустыни может быть первым найденным на Земле вещественным доказательством взрыва сверхновой типа Ia. Редкие сверхновые относятся к числу самых энергичных событий во Вселенной.

Таков вывод нового исследования Яна Крамера, Джорджа Пелянина 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.

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.

Камень Гипатии может быть первым конкретным свидетельством взрыва сверхновой типа Ia на Земле. Сверхновые типа Ia редки и являются одними из самых энергичных событий во Вселенной. Исследователи UJ обнаружили последовательную структуру из 15 элементов в камне Гипатии, обнаруженном в Египте. Этот узор сильно отличается от всего, что есть в нашей Солнечной системе или в наших окрестностях Солнечной системы.[{» 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.

Различные анализы камня Гипатии в Египте показывают, что он не образовался на Земле или в нашей Солнечной системе. Новое исследование показывает, что он мог сохранить необычный химический состав, подобный взрыву сверхновой Ia. Доктор Георгий Пелянин (Университет Йоханнесбурга) использовал протонный пучок в 3 миллиона вольт для анализа небольшой части камня. Кредит: Тереза ​​Ван Вик

не из нашего времени

Затем Крамерс сравнил модель концентрации Гипатии с тем, что можно было бы ожидать увидеть в межзвездной пыли в нашем солнечном рукаве Млечного Пути.

«Мы посмотрели, соответствует ли картина, которую мы получаем от средней межзвездной пыли в нашем рукаве Млечного Пути, тому, что мы видим в Гипатии. Опять же, не было абсолютно никакого сходства», — добавляет Крамерс.

На данный момент данные протонного пучка также исключили четыре «подозреваемых» относительно того, где может быть Гипатия.

Гипатия не образовалась на Земле, не входила в состав какого-либо известного типа комет или метеоритов и не состояла из средней пыли внутренней части Солнечной системы, а также не из средней межзвездной пыли.

Не красный гигант

Следующим простейшим возможным объяснением картины концентрации элементов на Гипатии может быть красный гигант. Красные гиганты широко распространены во Вселенной.

Но данные протонного пучка также исключали поток массы от звезды красного гиганта: в Гипатии было слишком много железа, слишком мало кремния и очень низкая концентрация тяжелых элементов тяжелее железа.

Сверхновой 2 типа не существует

Следующим «подозреваемым», которого следует рассмотреть, была сверхновая типа II. Сверхновые типа II варят много железа. Они также являются относительно распространенным типом сверхновых.

В очередной раз данные протонного пучка Гипатии исключили наиболее многообещающего подозреваемого в области «судебно-химической экспертизы». Маловероятно, что сверхновая типа II является источником экзотических минералов, таких как фосфид никеля в гальке. В Гипатии также было намного больше железа по сравнению с кремнием и кальцием.

Пришло время изучить предсказанный химический состав одного из самых драматических взрывов во Вселенной.

завод тяжелых металлов

Более редкий тип сверхновой также производит много железа. Сверхновые типа Ia происходят только один или два раза в галактике каждое столетие. Но они производят больше всего железа (Fe) во Вселенной. Большая часть стали на Земле когда-то была железным элементом, который был создан сверхновыми Ia.

Кроме того, признанная наука говорит, что некоторые сверхновые Ia оставляют после себя очень четкие подсказки о «судебной химии». Это связано с тем, как подготовлены некоторые сверхновые Ia.

Во-первых, в конце своей жизни красный гигант коллапсирует в очень плотного белого карлика. Белые карлики обычно невероятно стабильны в течение очень долгого времени и вряд ли взорвутся. Однако есть исключения.

Белый карлик может начать «притягивать» вещество от другой звезды в двойной системе. Можно сказать, что белый карлик «пожирает» свою звезду-компаньона. В конце концов, белый карлик становится настолько тяжелым, горячим и нестабильным, что взрывается и превращается в сверхновую Ia.

Ядерный синтез во время взрыва сверхновой Ia должен создать очень необычные модели концентрации элементов, как это предсказывается общепринятыми научными теоретическими моделями.

Кроме того, белый карлик, который взрывается сверхновой Ia, не только распадается на крошечные кусочки, но буквально взрывается на атомы. Материал сверхновой Ia доставляется в космос в виде атомов газа.

При всестороннем поиске звездных данных и результатов моделирования команда не смогла определить ни одного химического вещества, похожего или наиболее подходящего для камня Гипатии, из определенного набора моделей сверхновых Ia.

Элементы судебно-медицинских доказательств

«Все данные о сверхновой Ia и теоретические модели показывают гораздо более высокие пропорции железа, чем кремния и кальция, чем в моделях сверхновой 2», — говорит Крамерс.

«В этом отношении данные Лаборатории протонных пучков Гипатии согласуются с данными о сверхновой Ia».

В целом восемь из 15 проанализированных показателей соответствуют ожидаемым диапазонам соотношений железа. Это элементы кремний, сера, кальций, титан, ванадий, хром, марганец, железо и никель.

Однако не все из пятнадцати предметов, проанализированных в Гипатии, соответствуют ожиданиям. В шести из 15 элементов отношения были в 10-100 раз выше, чем диапазоны, предсказанные теоретическими моделями для сверхновых типа 1А. Это элементы алюминий, фосфор, хлор, калий, медь и цинк.

«Поскольку белый карлик состоит из умирающего красного гиганта, Гипатия унаследовала эти пропорции элементов для шести элементов от красного гиганта. Это явление наблюдалось в белых карликах в других исследованиях», — добавляет Крамерс.

Если эта гипотеза верна, то камень Гипатии будет первым конкретным свидетельством на Земле взрыва сверхновой типа Ia, одного из самых энергичных событий во Вселенной.

Камень Гипатия станет свидетельством космической истории, которая началась во времена раннего формирования нашей Солнечной системы, и была найдена много лет спустя в отдаленной пустыне, усыпанной другими гальками.

Ссылка: «Химия внеземного каменноугольного камня» «Гипатия: взгляд на неоднородность пыли в межзвездном пространстве» Яна Д. Крамерса, Джорджи А. Икар.
DOI: 10.1016 / j.icarus.2022.115043

READ  Датчик ветра марсианского зонда Perseverance поврежден гравием

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.