La nueva química ‘forense’ indica que la piedra llamada Hypatia del desierto egipcio puede ser la primera evidencia física encontrada en la Tierra de una explosión de supernova Tipo Ia. Estas raras supernovas son algunos de los eventos más energéticos del universo.

Esta es la conclusión de un nuevo estudio de investigación realizado por Jan Kramers, Georgy Belyanin y Hartmut Winkler de[{» 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.

La piedra Hypatia puede ser la primera evidencia tangible en la Tierra de una explosión de supernova Tipo Ia. Las supernovas de tipo Ia son raras y se encuentran entre los eventos más energéticos del universo. Los investigadores de la UJ encontraron un patrón consistente de 15 elementos en la piedra Hipatia descubierta en Egipto. El patrón es completamente diferente a cualquier cosa en nuestro sistema solar o nuestro vecindario solar en la Tierra.[{» 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.

Diversos análisis de la piedra Hipatia en Egipto indican que no se formó en la Tierra ni dentro de nuestro sistema solar. Un nuevo estudio muestra que puede haber conservado un patrón químico inusual similar al de una explosión de supernova Ia. Dr. Georgy Belyanin (Universidad de Johannesburgo) utilizó un haz de protones de 3 millones de voltios para analizar un pequeño fragmento de la piedra. Crédito: Teresa van Wyk

no de nuestro barrio

A continuación, Kramers comparó el patrón de concentración del elemento Hypatia con lo que se esperaría ver en el polvo entre las estrellas de nuestro brazo solar de la Vía Láctea.

“Buscamos ver si el patrón que obtenemos del polvo interestelar promedio en nuestro brazo de la Vía Láctea se ajusta a lo que vemos en Hipatia. Una vez más, no había parecido”, añade Kramers.

En este punto, los datos del haz de protones también descartaron cuatro ‘sospechosos’ de dónde podría haberse formado Hypatia.

Hipatia no se formó en la Tierra, no fue parte de ningún tipo conocido de cometa o meteorito, no se formó del polvo promedio del sistema solar interior, ni del polvo interestelar promedio.

no es una gigante roja

La siguiente explicación más simple posible para el patrón de concentración de elementos en Hypatia sería una estrella gigante roja. Las estrellas gigantes rojas son comunes en el universo.

Pero los datos del haz de protones también descartaron el flujo de masa de una estrella gigante roja: Hipatia tenía mucho hierro, poco silicio y concentraciones muy bajas de elementos pesados ​​más pesados ​​que el hierro.

No es una supernova tipo II

El siguiente ‘sospechoso’ a considerar fue una supernova de tipo II. Las supernovas de tipo II cocinan mucho hierro. También son un tipo relativamente común de supernova.

Una vez más, los datos del haz de protones de Hypatia descartaron a un sospechoso prometedor con «química forense». Una supernova de tipo II era muy poco probable como fuente de minerales extraños como el fosfuro de níquel en el guijarro. También había mucho hierro en Hipatia en comparación con el silicio y el calcio.

Era hora de echar un vistazo más de cerca a la química predicha de una de las explosiones más dramáticas del universo.

fábrica de metales pesados

Un tipo más raro de supernova también produce mucho hierro. Las supernovas de tipo Ia solo ocurren una o dos veces por galaxia por siglo. Pero producen la mayor parte del hierro (Fe) del universo. La mayor parte del acero en la Tierra fue una vez el elemento hierro creado por las supernovas Ia.

Además, la ciencia establecida dice que algunas supernovas Ia dejan pistas de «química forense» muy distintas. Esto se debe a la forma en que se configuran algunas supernovas Ia.

Primero, una estrella gigante roja al final de su vida colapsa en una estrella enana blanca muy densa. Las estrellas enanas blancas son generalmente increíblemente estables durante períodos muy largos y es poco probable que exploten. Sin embargo, hay excepciones a esto.

Una estrella enana blanca puede comenzar a «jalar» materia de otra estrella en un sistema binario. Se puede decir que la estrella enana blanca se «come» a su estrella compañera. Eventualmente, la enana blanca se vuelve tan pesada, caliente e inestable que explota en una supernova Ia.

La fusión nuclear durante la explosión de la supernova Ia debería crear patrones de concentración de elementos muy inusuales, como predicen los modelos teóricos científicos aceptados.

Además, la estrella enana blanca que explota en una supernova Ia no solo se rompe en pedazos, sino que literalmente se convierte en átomos. La materia de la supernova Ia se envía al espacio en forma de átomos de gas.

En una extensa búsqueda bibliográfica de datos de estrellas y resultados de modelos, el equipo no pudo identificar ningún ajuste químico similar o mejor para la piedra Hypatia que un conjunto específico de modelos de supernova Ia.

pruebas de elementos forenses

“Todos los datos teóricos y los modelos de la supernova Ia muestran proporciones mucho más altas de hierro en comparación con el silicio y el calcio que los modelos de la supernova II”, dice Kramers.

«En este sentido, los datos del laboratorio de haz de protones en Hypatia se ajustan a los datos y modelos de la supernova Ia».

En total, ocho de los 15 elementos analizados se ajustan a los rangos de proporciones previstos en relación con el hierro. Estos son los elementos silicio, azufre, calcio, titanio, vanadio, cromo, manganeso, hierro y níquel.

No todos los 15 elementos analizados en Hipatia se ajustan a las predicciones. En seis de los 15 elementos, las proporciones fueron entre 10 y 100 veces mayores que los rangos predichos por los modelos teóricos para supernovas tipo 1A. Estos son los elementos aluminio, fósforo, cloro, potasio, cobre y zinc.

“Como una estrella enana blanca se forma a partir de una gigante roja moribunda, Hipatia podría haber heredado estas proporciones de elementos a los seis elementos de una estrella gigante roja. Este fenómeno se ha observado en estrellas enanas blancas en otros estudios”, añade Kramers.

Si esta hipótesis es correcta, la piedra Hipatia sería la primera evidencia tangible en la Tierra de una explosión de supernova Tipo Ia, uno de los eventos más energéticos del universo.

La piedra Hypatia sería una pista de una historia cósmica que comenzó durante la formación temprana de nuestro sistema solar y se encontró muchos años después en un desierto remoto lleno de otros guijarros.

Referencia: “La química de la piedra carbonosa extraterrestre “Hypatia”: Una perspectiva sobre la heterogeneidad del polvo en el espacio interestelar” por Jan D. Kramers, Georgy A. Belyanin, Wojciech J. Przybylowicz, Hartmut Winkler y Marco AG Andreoli, 22 de abril a partir de 2022, ícaro.
DOI: 10.1016/j.icarus.2022.115043