Камъкът на име Хипатия от египетската пустиня може да бъде първото осезаемо доказателство, открито на Земята за експлозия на свръхнова тип Ia. Тези редки свръхнови са едни от най-енергичните събития във Вселената. Това е изводът от ново проучване, публикувано в списание Icarus, от Ян Крамерс, Георги Белянин и Хартмут Винклер от Университета в Йоханесбург и други.

От 2013 г. Белянин и Крамерс разкриват серия от изключително необичайни химически улики в малък фрагмент от камъка Хипатия. В новото си изследване те елиминират "космическите заподозрени" за произхода на камъка в един труден процес. Те са реконструирали времевата линия, простираща се назад до ранните етапи на формирането на Земята, нашето Слънце и другите планети в нашата Слънчева система.

Камъкът Хипатия може да бъде първото осезаемо доказателство на Земята за експлозия на свръхнова тип Ia. Свръхновите от тип Ia са редки и едни от най-енергийните събития във Вселената. Изследователите от UJ откриха последователен модел от 15 елемента в камъка Хипатия, открит в Египет.

Моделът е напълно различен от всичко в нашата Слънчева система или нашия квартал в Млечния път. Но повечето от елементите съвпадат с  моделите на свръхнова тип Ia. 

Космическа времева линия

Тяхната хипотеза за произхода на Хипатия започва със звезда - червен гигант се срива в звезда бяло джудже. Сривът би се случил вътре в гигантски облак прах, наричан още мъглявина.

После това бяло джудже се озовава в двоична система с втора звезда. Бялото джудже в крайна сметка "изяжда" другата звезда. В един момент "гладното" бяло джудже избухва като свръхнова тип Ia вътре в облака прах.

След охлаждане, газовите атоми, които са останали от свръхновата Ia, започват да се прилепват към частиците прах в облак.

"В известен смисъл бихме могли да кажем, че "уловихме" експлозия на свръхнова Ia "в действие", тъй като газовите атоми от експлозията са уловени в околния облак прах, който в крайна сметка формира родителското тяло на Хипатия“, казва Крамърс.

Огромният "балон" от тази смес от атоми прах и газ от свръхновата никога не е взаимодействал с други облаци прах.

Милиони години минат и накрая "балонът" бавно става твърд. "Родителското тяло" на Хипатия се превръща в твърда скала известно време в ранните етапи на формирането на нашата Слънчева система.

Този процес вероятно се е случил в студена, безпроблемна външна част на нашата слънчева система - в облака на Оорт или в пояса на Кайпер.

В един момент родителската скала на Хипатия започва да се насочва към Земята. Топлината на навлизане в земната атмосфера, съчетана с налягането на удара в Голямото пясъчно море в югозападен Египет, създава микродиаманти и разбива основната скала.

Камъкът Хипатия, взет в пустинята, трябва да е един от многото фрагменти от оригиналния обект, получени при удара.

"Ако тази хипотеза е вярна, камъкът Хипатия би бил първото осезаемо доказателство на Земята за експлозия на свръхнова тип Ia. Може би също толкова важно, той показва, че отделен аномален "парцел" прах от космоса може действително да бъде включен в слънчевата мъглявина, от която е формирана нашата Слънчева система, без да е напълно смесен", казва Крамърс. "Това противоречи на общоприетото мнение, че прахът, от който се е образувала нашата Слънчева система, е напълно смесен."

Три милиона волта за малка проба

За да създадат времевата линия на образуването на камъка Хипатия, изследователите са използвали няколко техники за анализ на странния камък.

През 2013 г. проучване на изотопите на аргона показва, че скалата не се е образувала на Земята. Трябваше да е извънземна. Изследване от 2015 г. на благородни газове във фрагмента показва, че той не може да е от нито един известен тип метеорит или комета.

През 2018 г. екипът на UJ публикува различни анализи, които включват откриването на минерал, никелов фосфид, който досега не е открит в нито един обект в нашата Слънчева система.

На този етап по-нататъшният анализ на Хипатия се оказва труден. Следите от метали, които Крамерс и Белянин търсят, всъщност не могат да бъдат "видяни в детайли" с оборудването, с което разполагат. Нуждет е по-мощен инструмент, който да не унищожи малката проба.

През 2015 г. Белянин прави серия от анализи с протонен лъч в iThemba Labs в Съмърсет Уест.

В търсене на модел

"Вместо да изследваме всички невероятни аномалии, които Хипатия представя, ние искахме да проучим дали има някакво основно единство. Искахме да видим дали има някакъв последователен химически модел в камъка", казва Крамърс.

Белянин внимателно подбира 17 мишени върху малката проба за анализ. Всички са избрани да са доста далеч от земните минерали, образували се в пукнатините на оригиналната скала след удара й в пустинята.

"Идентифицирахме 15 различни елемента в Хипатия с много по-голяма прецизност и точност с протонна микросонда. Това ни даде химичните съставки, от които се нуждаехме, за да може Ян да започне следващия процес на анализиране на всички данни", казва Белянин.

Протонният лъч също изключва Слънчевата система

Първата голяма нова улика от анализите на протонния лъч е изненадващо ниското ниво на силиций в мишените от камък Хипатия. Силицият, заедно с хрома и мангана, се очаква да са по-малко от 1% за нещо, образувано във вътрешната Слънчева система.

"Освен това високото съдържание на желязо, високо съдържание на сяра, високо съдържание на фосфор, високо съдържание на мед и високо съдържание на ванадий бяха забележими и аномални", добавя Крамерс.

"Открихме последователен модел на изобилие на микроелементи, който е напълно различен от всичко в Слънчевата система, примитивно или еволюирало. Обектите в астероидния пояс и метеорите също не съвпадат с това. Така че след това погледнахме извън Слънчевата система", казва Крамърс.

Не от нашия квартал

След това Крамърс сравнява модела на концентрация на елемента Хипатия с това, което човек би очаквал да види в праха между звездите в нашия район на Млечния път.

"Потърсихме да видим дали моделът, който получаваме от средния междузвезден прах в нашия ръкав на галактиката Млечния път, отговаря на това, което наблудаваме в Хипатия. Отново нямаше никакво сходство", добавя Крамърс.

Към този момент данните от протонния лъч изключват четирима "заподозрени" за това къде може да се е образувала Хипатия.

Хипатия не се е образувала на Земята, не е била част от нито един известен тип комета или метеорит, не се е образувала от прах от вътрешната слънчева система, а не от междузвезден прах.

Не е червен гигант

Следващото възможно най-просто обяснение за модела на концентрация на елементи в Хипатия би била звезда червен гигант. Червените гиганти са често срещани във Вселената.

Но данните от протонния лъч изключват и изхвърляне на маса от звезда червен гигант. Хипатия има твърде много желязо, твърде малко силиций и твърде ниски концентрации на тежки елементи, по-тежки от желязото.

Нито свръхнова тип II

Следващият "заподозрян" на учените е свръхнова тип II. Свръхновите от тип II приготвят много желязо. Те също са сравнително често срещан тип свръхнова.

Отново данните от протонния лъч на Хипатия изключват обещаващ заподозрян. Свръхнова тип II е много малко вероятно като източник на странни минерали като никелов фосфид в камъчето. В Хипатия също така има твърде много желязо в сравнение със силиций и калций.

Така дошло време учените да разгледат отблизо прогнозираната химия на една от най-драматичните експлозии във Вселената.

Завод за тежки метали

Друг по-рядък вид свръхнова също произвежда много желязо. Свръхнови от тип Ia се случват само веднъж или два пъти на галактика на век. Но те произвеждат по-голямата част от желязото (Fe) във Вселената. По-голямата част от стоманата на земята някога е била елементът желязо, създаден от свръхновите Ia.

Според науката, някои супернови Ia оставят много отличителни улики от "съдебната химия". Това се дължи на начина, по който са създадени тези супернови Ia.

Първо звезда червен гигант в края на живота си колабира в много плътно бяло джудже. Белите джуджета обикновено са невероятно стабилни за много дълги периоди и е малко вероятно да избухнат. Има обаче изключения.

Звездата бяло джудже може да започне да "дърпа" материята от друга звезда, когато е в двойна система. Може да се каже, че звездата бяло джудже "изяжда" своята звезда-придружител. В крайна сметка бялото джудже става толкова тежко, горещо и нестабилно, че експлодира в свръхнова Ia.

Ядреният синтез по време на експлозията на свръхнова Ia трябва да създаде изключително необичайни модели на концентрация на елементи, предвиждат приетите научни теоретични модели.

Също така, когато бялото джудже експлодира в свръхнова Ia, то не просто се разпръсква на парчета, а буквално се разпръсква до атоми. Материята на свръхновата Ia отива в космоса като атоми газ.

В обширно търсене в данни за звезди и резултати от модела, екипът не можа да идентифицира подобно или по-добро химическо съответствие за камъка Хипатия от специфичния набор от модели на свръхнова Ia.

Доказателството на елементите

"Всички данни за свръхнова Ia и теоретични модели показват много по-високи пропорции на желязо в сравнение със силиций и калций, отколкото моделите на супернова II", казва Крамърс.

"В това отношение лабораторните данни за протонния лъч на Хипатия отговарят на данните и моделите за свръхнова Ia."

Като цяло 8 от 15-те анализирани елемента отговарят на предвидените диапазони на пропорции по отношение на желязото. Това са елементите силиций, сяра, калций, титан, ванадий, хром, манган, желязо и никел.

Не всичките 15 анализирани елементи в Хипатия обаче отговарят на прогнозите. В шест от 15-те елемента пропорциите са между 10 и 100 пъти по-високи от диапазоните, предвидени от теоретичните модели за свръхнови от тип Ia. Това са елементите алуминий, фосфор, хлор, калий, мед и цинк.

"Тъй като звезда бяло джудже се образува от умиращ червен гигант, Хипатия би могла да наследи тези пропорции на шестте елемента от звезда червен гигант. Това явление е наблюдавано при звезди с бяло джудже в други изследвания", добавя Крамърс.

Ако тази хипотеза е вярна, камъкът Хипатия ще бъде първото осезаемо доказателство на Земята за експлозия на свръхнова тип Ia, едно от най-енергийните събития във Вселената.

Камъкът Хипатия може да е улика за космическа история, започнала по време на ранното формиране на нашата Слънчева система, само за да бъде намерен много години по-късно в отдалечена пустиня, осеяна с други камъчета.

Jan D. Kramers et al, The chemistry of the extraterrestrial carbonaceous stone "Hypatia": A perspective on dust heterogeneity in interstellar space, Icarus (2022). DOI: 10.1016/j.icarus.2022.115043