Новая химическая «криминалистика» указывает на то, что камень по имени Гипатия из египетской пустыни может быть первым вещественным доказательством, найденным на Земле, взрыва сверхновой типа Ia. Эти редкие сверхновые — одни из самых энергичных событий во Вселенной.

Таков вывод из нового исследования, опубликованного в журнале Icarus Яном Крамерсом, Георгием Беляниным и Хартмутом Винклером из Йоханнесбургского университета и другими.

С 2013 года Белянин и Крамерс обнаруживают ряд очень необычных химических подсказок в небольшом фрагменте камня Гипатия. В своем новом исследовании они кропотливым образом устраняют «космических подозреваемых» в происхождении камня. Они собрали воедино временную шкалу, уходящую назад к ранним стадиям формирования Земли, нашего Солнца и других планет в нашей Солнечной системе.

Космическая временная шкала

Их гипотеза о происхождении Гипатии начинается со звезды: красный гигант превратился в белого карлика. Коллапс произошел бы внутри гигантского облака пыли, также называемого туманностью.

Этот белый карлик оказался в двойной системе со второй звездой. В конце концов белый карлик «съел» другую звезду. В какой-то момент «голодный» белый карлик взорвался как сверхновая типа Ia внутри пылевого облака.

После охлаждения атомы газа, оставшиеся от сверхновой Ia, стали прилипать к частицам пылевого облака.

«В некотором смысле мы могли бы сказать, что мы «поймали» взрыв сверхновой Ia «в действии», потому что атомы газа от взрыва были захвачены окружающим пылевым облаком, которое в конечном итоге сформировало родительское тело Гипатии», — говорит Крамерс.

Огромный «пузырь» этой смеси атомов пыли и газа сверхновой никогда не взаимодействовал с другими пылевыми облаками.

Пройдут миллионы лет, и, в конце концов, «пузырь» постепенно станет твердым, наподобие «космического пылевого кролика». «Родительское тело» Гипатии должно было стать твердым камнем на ранних стадиях формирования нашей Солнечной системы.

Этот процесс, вероятно, происходил в холодной, спокойной внешней части нашей Солнечной системы — в облаке Оорта или в поясе Койпера.

В какой-то момент родительский камень Гипатии начал мчаться к Земле. Тепло от входа в земную атмосферу в сочетании с ударным давлением в Великом песчаном море на юго-западе Египта образовало микроалмазы и разрушило материнскую породу.

Камень Гипатии, найденный в пустыне, должен быть одним из многих фрагментов оригинального ударника.

«Если эта гипотеза верна, камень Гипатии будет первым на Земле вещественным свидетельством взрыва сверхновой типа Ia. Возможно, не менее важно, что он показывает, что отдельная аномальная «посылка» пыли из космоса могла быть действительно включена в состав Солнца. туманность, из которой была сформирована наша Солнечная система, не будучи полностью смешанной», — говорит Крамерс.

«Это противоречит общепринятому мнению, что пыль, из которой образовалась наша Солнечная система, была тщательно перемешана».

Три миллиона вольт для крошечного образца

Чтобы собрать воедино временную шкалу того, как могла образоваться Гипатия, исследователи использовали несколько методов анализа странного камня.

В 2013 году исследование изотопов аргона показало, что горная порода образовалась не на Земле. Он должен был быть внеземным. Исследование инертных газов в фрагменте, проведенное в 2015 году, показало, что это может быть не метеорит или комета какого-либо известного типа.

В 2018 году команда UJ опубликовала различные анализы, в том числе открытие минерала фосфида никеля, который ранее не обнаруживался ни в одном объекте в нашей Солнечной системе.

На этом этапе Гипатию было трудно анализировать дальше. Следы металлов, которые искали Крамерс и Белянин, не могли быть «детально рассмотрены» с помощью имеющегося у них оборудования. Им нужен был более мощный инструмент, который не разрушил бы крошечный образец.

Крамерс начал анализировать набор данных, который Белянин создал за несколько лет до этого.

В 2015 году Белянин провел серию анализов протонного пучка в лаборатории iThemba Labs в Сомерсет-Уэст. В то время доктор Войцех Пшибилович поддерживал работу трехмиллионной машины.

В поисках закономерности

«Вместо того, чтобы исследовать все невероятные аномалии, которые представляет Гипатия, мы хотели выяснить, существует ли основное единство. Мы хотели увидеть, есть ли в камне какая-то последовательная химическая структура», — говорит Крамерс.

Белянин тщательно отобрал для анализа 17 целей на крошечном образце. Все они были выбраны так, чтобы находиться далеко от земных минералов, которые образовались в трещинах исходной породы после ее удара в пустыне.

«Мы идентифицировали 15 различных элементов в Гипатии с гораздо большей точностью с помощью протонного микрозонда. Это дало нам необходимые химические «ингредиенты», поэтому Ян мог начать следующий процесс анализа всех данных», — говорит Белянин.

Пучок протонов также исключает Солнечную систему

Первым важным новым признаком, полученным в результате анализа пучка протонов, стал удивительно низкий уровень кремния в каменных мишенях Гипатии. Кремний, наряду с хромом и марганцем, должен был составлять менее 1% для чего-то, что образовалось внутри нашей внутренней Солнечной системы.

Кроме того, высокое содержание железа, высокое содержание серы, высокое содержание фосфора, высокое содержание меди и высокое содержание ванадия были заметными и аномальными, добавляет Крамерс.

«Мы обнаружили постоянную картину содержания микроэлементов, которая полностью отличается от всего, что есть в Солнечной системе, примитивной или эволюционировавшей. Объекты в поясе астероидов и метеоры также не соответствуют этому. Поэтому затем мы посмотрели за пределы Солнечной системы», — говорит он. Крамерс.

Не из нашего района

Затем Крамерс сравнил модель концентрации элементов Гипатии с тем, что можно было бы ожидать увидеть в пыли между звездами в нашем солнечном рукаве галактики Млечный Путь.

«Мы посмотрели, соответствует ли картина, которую мы получаем от средней межзвездной пыли в нашем рукаве галактики Млечный Путь, тому, что мы видим в Гипатии. И снова не было никакого сходства», — добавляет Крамерс.

В этот момент данные протонного пучка также исключили четыре «подозреваемых» места, где могла образоваться Гипатия.

Гипатия не образовалась на Земле, не была частью какого-либо известного типа комет или метеоритов, не образовалась из средней внутренней пыли Солнечной системы, а также не из средней межзвездной пыли.

Не красный гигант

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

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

Ни сверхновая типа II

Следующим «подозреваемым» была сверхновая типа II. Сверхновые II типа вырабатывают много железа. Они также являются относительно распространенным типом сверхновых.

Опять же, данные протонного пучка для Гипатии исключили многообещающего подозреваемого с «химической судебной экспертизой». Сверхновая типа II была крайне маловероятна как источник странных минералов, таких как фосфид никеля в гальке. В Гипатии также было слишком много железа по сравнению с кремнием и кальцием.

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

Завод тяжелых металлов

Более редкий вид сверхновой также производит много железа. Сверхновые типа Ia случаются только один или два раза в галактике за столетие. Но они производят большую часть железа (Fe) во Вселенной. Большая часть стали на Земле когда-то была железным элементом, созданным сверхновыми звездами Ia.

Кроме того, устоявшаяся наука говорит, что некоторые сверхновые Ia оставляют после себя очень характерные «судебно-химические» подсказки. Это связано с тем, как устроены некоторые сверхновые Ia.

Во-первых, красный гигант в конце своей жизни 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 «стягивать» материю с другой звезды в двойной системе. Можно сказать, что белый карлик «съедает» свою звезду-компаньона. В конце концов белый карлик становится настолько тяжелым, горячим и нестабильным, что взрывается сверхновой Ia.

Согласно общепринятым научным теоретическим моделям, ядерный синтез во время взрыва сверхновой Ia должен создать весьма необычные модели концентрации элементов.

Кроме того, белый карлик, который взрывается сверхновой Ia, не просто разлетается на кусочки, а буквально разлетается на атомы. Материя сверхновой Ia доставляется в космос в виде атомов газа.

В обширном литературном поиске данных о звездах и результатах моделирования команда не смогла найти ничего похожего или лучшего химического соответствия камню Гипатия, чем определенный набор моделей сверхновых Ia.

Судебно-медицинские доказательства

«Все данные и теоретические модели сверхновых Ia показывают гораздо более высокие пропорции железа по сравнению с кремнием и кальцием, чем в моделях сверхновых II», — говорит Крамерс.

«В этом отношении лабораторные данные протонного пучка на Гипатии соответствуют данным и моделям сверхновой Ia».

В целом, 8 из 15 проанализированных элементов соответствуют предсказанным диапазонам пропорций по отношению к железу. Это элементы кремний, сера, кальций, титан, ванадий, хром, марганец, железо и никель.

Однако не все 15 проанализированных элементов в Гипатии соответствуют предсказаниям. В шести из 15 элементов пропорции 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 формируется из умирающего красного гиганта, Гипатия могла унаследовать эти пропорции шести элементов от красного гиганта. Это явление наблюдалось у белых карликов в других исследованиях», — добавляет Крамерс.

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

Камень Гипатии мог бы стать ключом к космической истории, начавшейся во время раннего формирования нашей Солнечной системы, но найденной много лет спустя в отдаленной пустыне, усыпанной другими гальками.