يمكن أن يكون أول دليل على الأرض على انفجار مستعر أعظم Ia حجرًا خارج كوكب الأرض

تشير “الطب الشرعي” الكيميائي الجديد إلى أن صخرة تسمى هيباتيا من الصحراء المصرية ربما كانت أول دليل مادي على انفجار مستعر أعظم من النوع Ia تم اكتشافه على الأرض. هذه المستعرات الأعظمية النادرة هي أقوى الظواهر في الكون.

هذه نتيجة دراسة بحثية جديدة قام بها جون كرامرز وجورج بيلينن وهارتموت وينكلر.[{” 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.

https://www.youtube.com/watch؟v=vOA6i6aeyoE
قد يكون حجر هيباتيا أول مصدر محدد على الأرض لثوران مستعر أعظم من النوع الأول. المستعرات الأعظمية من النوع Ia نادرة – وبعض أقوى الظواهر في الكون. وجد باحثو الجامعة شكلاً موحدًا لـ 15 عنصرًا في حجر هيباتيا الموجود في مصر هذا النمط مختلف تمامًا عن نظامنا الشمسي أو أي شيء في نظامنا الشمسي[{” 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.

https://www.youtube.com/watch؟v=ah8d88btd3c
تشير التحليلات المختلفة لحجر هيباتيا في مصر إلى أنه لم يتشكل على الأرض أو في نظامنا الشمسي. أظهرت دراسة جديدة أنه ربما يكون قد حافظ على شكل كيميائي غير عادي مشابه لانفجار سوبرنوفا Ia. استخدم الدكتور جورج بيليان (جامعة جوهانسبرج) شعاع بروتون 3 مليون فولت لدراسة جزء صغير من الحجر. الائتمان: تيريز فون ويك

ليس من حينا

ثم قارن كرامر نظام التركيز الأساسي الافتراضي الذي يتوقعه المرء في الغبار بين النجوم في مجرة ​​درب التبانة.

يقول كرامرز: “بمجرد خروجنا من متوسط ​​غبار المجرة في أيدي مجرة ​​درب التبانة ، نظرنا فيما إذا كان يناسب ما نراه في هيبوديا. مرة أخرى ، لا يوجد تشابه”.

في هذه المرحلة ، رفضت بيانات حزمة البروتون أربعة “مشتبه بهم” ربما يكونون قد طوروا انخفاض حرارة الجسم.

لم تتشكل هيباتيا على الأرض ، ولم تكن جزءًا من أي مذنب أو نيزك معروف ، ولم تتشكل من متوسط ​​غبار النظام الشمسي الداخلي ، ولم تتشكل من متوسط ​​غبار المجرة.

لا يوجد عملاق أحمر

التفسير البسيط التالي لنظام التركيز الأولي في هيباتيا سيكون النجم العملاق الأحمر. النجوم العملاقة الحمراء شائعة في الكون.

لكن بيانات حزمة البروتون رفضت الانبعاث الكتلي من نجم عملاق أحمر: كان لدى هيباتيا تركيز أقل بكثير من الحديد ، وأقل بكثير من السيليكون والعناصر الأثقل من الحديد.

المستعر الأعظم ليس من النوع الثاني

“المشتبه به” التالي الذي يجب مراعاته هو مستعر أعظم من النوع الثاني. المستعرات الأعظمية من النوع الثاني غنية بالحديد. إنها نوع شائع نسبيًا من المستعرات الأعظمية.

مرة أخرى ، رفضت بيانات حزمة البروتون الخاصة بـ Hypatia المشتبه به الواعد بـ “الطب الشرعي الكيميائي”. مستعر أعظم من النوع الثاني غير ممكن مع وجود معادن غريبة مثل فوسفيد النيكل في الحصى. بالمقارنة مع السيليكون والكالسيوم ، كان قصور الغدة الدرقية يحتوي على نسبة عالية من الحديد.

حان الوقت لدراسة الكيمياء المتوقعة لواحدة من أكثر الانفجارات دراماتيكية في الكون.

مصنع المعادن الثقيلة

وهناك نوع نادر من المستعر الأعظم ينتج أيضًا الكثير من الحديد. تحدث المستعرات الأعظمية من النوع Ia مرة أو مرتين فقط كل قرن لكل مجرة. لكنها تنتج أيضًا معظم الحديد (Fe) في الكون. تشكل المستعر الأعظم Ia معظم الفولاذ على الأرض.

علاوة على ذلك ، تشير العلوم الراسخة إلى أن بعض المستعرات الأعظمية Ia تترك آثارًا فريدة من “كيمياء الطب الشرعي”. هذا يرجع إلى الطريقة التي تتشكل بها بعض المستعرات الأعظمية Ia.

أولاً ، ينهار نجم أحمر عملاق إلى نجم قزم أبيض كثيف للغاية في نهاية حياته. عادة ما تكون النجوم القزمة البيضاء مستقرة بشكل لا يصدق لفترة طويلة جدًا ومن غير المرجح أن تنفجر. ومع ذلك ، هناك استثناءات لهذا.

سيبدأ النجم القزم الأبيض في سحب الأشياء من نجم آخر في النظام الثنائي. يمكن للمرء أن يقول أن النجم القزم الأبيض “يأكل” نجمه الثانوي. في النهاية ، يصبح القزم الأبيض ثقيلًا جدًا وساخنًا وغير مستقر ، وينفجر في سوبر نوفا Ia.

يجب أن ينتج الاندماج النووي أثناء انفجار المستعر الأعظم Ia أنماط تركيز عنصري غير عادية للغاية ، وفقًا للنماذج النظرية العلمية المقبولة.

أيضًا ، النجم القزم الأبيض الذي ينفجر في مستعر أعظم Ia ليس مجرد أجزاء صغيرة ، ولكنه يتحول إلى ذرات. يتم إرسال مادة المستعر الأعظم Ia إلى الفضاء على شكل ذرات غاز.

في بحث شامل عن البيانات النجمية ونتائج العينات ، لم يتمكن الفريق من العثور على توافق كيميائي مشابه أو أفضل للحجر المنومة من عينات معينة من سوبر نوفا Ia.

أدلة على عناصر الطب الشرعي

يقول كرامرز: “تُظهر جميع بيانات سوبرنوفا Ia والنماذج النظرية نسبًا أعلى من الحديد مقارنةً بالمستعر الأعظم IIa للسيليكون والكالسيوم”.

“في هذا الصدد ، تنطبق بيانات مختبر شعاع البروتون في هيباتيا على بيانات ونماذج المستعر الأعظم Ia.”

في المجموع ، تتوافق ثمانية من العناصر الخمسة عشر التي تم تحليلها مع الحدود المتوقعة للنسب المتعلقة بالحديد. وهي عناصر السيليكون والكبريت والكالسيوم والتيتانيوم والفاناديوم والكروم والمنغنيز والحديد والنيكل.

جميع المكونات الخمسة عشر التي تم تحليلها في Hypatia لم تتطابق مع التوقعات. في ستة من العناصر الخمسة عشر ، كانت النسب أعلى من 10 إلى 100 مرة من الحدود التي تنبأت بها النماذج النظرية للمستعرات الأعظمية من النوع 1A. وهذه هي عناصر الألمنيوم والفوسفور والكلور والبوتاسيوم والنحاس والزنك.

يقول كرامرز: “نظرًا لأن نجمًا قزمًا أبيض يتكون من عملاق أحمر محتضر ، فقد تكون هيباتيا قد اشتقت نسبة العنصر هذه من نجم عملاق أحمر واحد إلى ستة عناصر. تم العثور على هذه الظاهرة في بحث آخر على النجوم القزمة البيضاء”.

إذا كانت هذه الفرضية صحيحة ، فإن صخرة هيباتيا ستكون أول دليل قاطع على الأرض لثوران بركاني من النوع الأول من المستعر الأعظم ، إحدى أقوى الظواهر في الكون.

حجر هيباتيا هو دليل على قصة كونية بدأت خلال التكوين المبكر لنظامنا الشمسي واكتشفت بعد سنوات عديدة في صحراء بعيدة محاطة بالحصى الأخرى.

ملاحظة: “كيمياء هيباتيا الصخور الكربونية خارج كوكب الأرض: نظرة عامة على تنوع الغبار في المجرة” بقلم جون د. كرامرز ، جورج أ. بيليانين ، Wojciech J. ؛ بريسبيلوفيتش ، هارتموت وينكلر وماركو إيه جي أندريولي 22 ، 20 أبريل ، إيكاروس.
DOI: 10.1016 / j.icarus.2022.115043