La pietra extraterrestre potrebbe essere la prima prova sulla Terra dell’esplosione di una supernova Ia

Un campione di 3 grammi (0,1 oncia) di una pietra di Ipazia. I ricercatori hanno trovato un modello coerente di 15 elementi nella pietra di Ipazia. Questo modello è molto diverso da qualsiasi cosa nel nostro sistema solare o nel nostro vicinato solare, nella Via Lattea. Credito: Romano Serra

Una nuova “analisi scientifica” chimica suggerisce che una pietra chiamata Ipazia dal deserto egiziano potrebbe essere la prima prova fisica trovata sulla Terra di un’esplosione di una supernova di tipo Ia. Le supernove rare sono tra gli eventi più energetici dell’universo.

Questa è la conclusione di un nuovo studio di ricerca di Jan Kramer, George Pelianin e Hartmut Winkler di[{” 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.

La pietra di Ipazia potrebbe essere la prima prova concreta sulla Terra di un’esplosione di una supernova di tipo Ia. Le supernove di tipo Ia sono rare e alcuni degli eventi più energetici dell’universo. I ricercatori dell’UJ hanno trovato un modello coerente di 15 elementi nella pietra di Ipazia scoperta in Egitto. Questo modello è molto diverso da qualsiasi cosa nel nostro sistema solare o nel nostro vicinato solare[{” 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.

Varie analisi della pietra di Ipazia in Egitto indicano che non si è formata sulla Terra o all’interno del nostro sistema solare. Un nuovo studio mostra che potrebbe aver conservato uno schema chimico insolito simile a quello dell’esplosione della Supernova Ia. Il dottor Georgi Pelyanin (Università di Johannesburg) ha utilizzato un raggio di protoni da 3 milioni di volt per analizzare una piccola parte della pietra. Credito: Therese Van Wyck

non dal nostro tempo

Kramers ha quindi confrontato il modello di concentrazione di Ipazia con quello che ci si aspetterebbe di vedere nella polvere interstellare nel nostro braccio solare della Via Lattea.

“Abbiamo cercato di vedere se il modello che otteniamo dalla polvere interstellare intermedia nel braccio della Via Lattea si adatta a quello che vediamo in Ipazia. Ancora una volta, non c’era assolutamente alcuna somiglianza”, aggiunge Kramers.

A questo punto, i dati del raggio di protoni escludevano anche quattro “sospetti” su dove potesse essere Ipazia.

Ipazia non si è formata sulla Terra, non faceva parte di nessun tipo noto di cometa o meteorite e non era formata dalla polvere media del Sistema Solare interno, né dalla polvere interstellare media.

Non una gigante rossa

La prossima spiegazione più semplice possibile per il modello di concentrazione degli elementi di Ipazia sarebbe una stella gigante rossa. Le stelle giganti rosse sono comuni nell’universo.

Ma i dati del fascio di protoni escludevano anche il flusso di massa da una stella gigante rossa: Ipazia aveva troppo ferro, troppo poco silicio e concentrazioni molto basse di elementi pesanti più pesanti del ferro.

Non esiste una supernova di tipo 2

Il successivo “sospetto” da considerare era una supernova di tipo II. Le supernove di tipo II cuociono molto ferro. Sono anche un tipo relativamente comune di supernova.

Ancora una volta, i dati del fascio di protoni di Ipazia hanno escluso il sospetto più promettente di “chimica forense”. È altamente improbabile che una supernova di tipo II sia una fonte di minerali esotici come il fosfuro di nichel nel ciottolo. C’era anche molto più ferro in Ipazia rispetto al silicio e al calcio.

È tempo di esaminare la chimica prevista di una delle esplosioni più drammatiche dell’universo.

fabbrica di metalli pesanti

Un tipo più raro di supernova produce anche molto ferro. Le supernove di tipo Ia si verificano solo una o due volte per galassia ogni secolo. Ma producono più ferro (Fe) nell’universo. La maggior parte dell’acciaio sulla Terra era un tempo l’elemento ferro, creato dalle supernovae Ia.

Inoltre, la scienza afferma che alcune supernove Ia lasciano dietro di sé indizi molto distinti sulla “chimica forense”. Ciò è dovuto al modo in cui vengono preparate alcune supernove Ia.

In primo luogo, alla fine della sua vita, una stella gigante rossa collassa in una nana bianca molto densa. Le stelle nane bianche sono generalmente incredibilmente stabili per periodi molto lunghi ed è molto improbabile che esplodano. Tuttavia, ci sono eccezioni a questo.

Una stella nana bianca può iniziare a “estrarre” materia da un’altra stella in un sistema binario. Si potrebbe dire che la nana bianca “divora” la sua stella compagna. Alla fine, la nana bianca diventa così pesante, calda e instabile da esplodere in una supernova Ia.

La fusione nucleare durante l’esplosione di una supernova Ia dovrebbe creare modelli molto insoliti di concentrazione degli elementi, come previsto dai modelli teorici scientifici accettati.

Inoltre, la stella nana bianca che esplode in una supernova Ia non solo si rompe in minuscoli frammenti, ma esplode letteralmente in atomi. Il materiale della Supernova Ia viene consegnato nello spazio sotto forma di atomi di gas.

In una ricerca completa di dati sulle stelle e risultati del modello, il team non è stato in grado di identificare alcuna sostanza chimica simile o più adatta alla pietra di Ipazia da un insieme specifico di modelli di supernova Ia.

Elementi di prova forense

“Tutti i dati e i modelli teorici della supernova Ia mostrano proporzioni di ferro molto più elevate rispetto al silicio e al calcio rispetto ai modelli della supernova 2”, afferma Kramers.

“A questo proposito, i dati dell’Hypatia Proton Beam Laboratory sono coerenti con i dati e i modelli della supernova Ia”.

Complessivamente, otto delle 15 voci analizzate corrispondono agli intervalli di rapporti attesi per il ferro. Questi sono gli elementi silicio, zolfo, calcio, titanio, vanadio, cromo, manganese, ferro e nichel.

Tuttavia, non tutti i quindici elementi analizzati in Ipazia soddisfano le aspettative. In sei dei 15 elementi, i rapporti erano da 10 a 100 volte superiori agli intervalli previsti dai modelli teorici per le supernove di tipo 1A. Questi sono gli elementi alluminio, fosforo, cloro, potassio, rame e zinco.

“Poiché una stella nana bianca è costituita da una gigante rossa morente, Ipazia ha ereditato queste proporzioni di elementi per i sei elementi da una stella gigante rossa. Questo fenomeno è stato osservato nelle stelle nane bianche in altre ricerche”, aggiunge Kramers.

Se questa ipotesi è corretta, la pietra di Ipazia sarebbe la prima prova concreta sulla Terra di un’esplosione di una supernova di tipo Ia, uno degli eventi più energetici dell’universo.

La pietra di Ipazia sarà la prova di una storia cosmica iniziata durante la prima formazione del nostro sistema solare e trovata molti anni dopo in un remoto deserto cosparso di altri ciottoli.

Riferimento: “La chimica della pietra carbonifera extraterrestre” Ipazia: una prospettiva sull’eterogeneità della polvere nello spazio interstellare” di Jan D. Kramers, Georgy A. Icaro.
DOI: 10.1016 / j.icarus.2022.115043

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