Außerirdischer Stein könnte der erste Beweis auf der Erde für eine Supernova-Explosion Ia sein

Eine 3-Gramm-Probe eines Hypatia-Steins. Die Forscher fanden ein konsistentes Muster von 15 Elementen im Hypatia-Stein. Dieses Muster unterscheidet sich stark von allem in unserem Sonnensystem oder in unserer Sonnennachbarschaft, in der Milchstraße. Bildnachweis: Romano Serra

Neue chemische „Forensik“ deutet darauf hin, dass ein Stein namens Hypatia aus der ägyptischen Wüste der erste physische Beweis für eine Supernova-Explosion vom Typ Ia sein könnte, der auf der Erde gefunden wurde. Seltene Supernovae gehören zu den energiereichsten Ereignissen im Universum.

Zu diesem Schluss kommt eine neue Forschungsstudie von Jan Kramer, Georg Pelianin und Hartmut Winkler[{“ 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.

Der Hypatia-Stein könnte der erste konkrete Beweis für eine Supernova-Explosion vom Typ Ia auf der Erde sein. Supernovae vom Typ Ia sind selten – und einige der energiereichsten Ereignisse im Universum. UJ-Forscher haben ein konsistentes Muster von 15 Elementen in dem in Ägypten entdeckten Hypatia-Stein gefunden. Dieses Muster unterscheidet sich sehr von allem in unserem Sonnensystem oder unserer Sonnennachbarschaft[{“ 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.

Verschiedene Analysen des Hypatia-Steins in Ägypten weisen darauf hin, dass er nicht auf der Erde oder in unserem Sonnensystem entstanden ist. Eine neue Studie zeigt, dass es möglicherweise ein ungewöhnliches chemisches Muster ähnlich dem der Supernova Ia-Explosion bewahrt hat. Dr. Georgi Pelyanin (Universität Johannesburg) verwendete einen 3-Millionen-Volt-Protonenstrahl, um einen kleinen Teil des Steins zu analysieren. Bildnachweis: Therese van Wyck

nicht aus unserer Zeit

Kramers verglich dann das Konzentrationsmuster von Hypatia mit dem, was man in interstellarem Staub in unserem Sonnenarm der Milchstraße erwarten würde.

„Wir haben nachgesehen, ob das Muster, das wir vom interstellaren Staub im Arm der Milchstraße erhalten, zu dem passt, was wir in Hypatia sehen. Auch hier gab es absolut keine Ähnlichkeit“, fügt Kramers hinzu.

Zu diesem Zeitpunkt schlossen die Protonenstrahldaten auch vier „Verdächtige“ aus, wo sich Hypatia befinden könnte.

Hypatia hat sich nicht auf der Erde gebildet, war nicht Teil eines bekannten Kometen- oder Meteoritentyps und wurde nicht aus durchschnittlichem Staub des inneren Sonnensystems gebildet, auch nicht aus durchschnittlichem interstellarem Staub.

Kein roter Riese

Die nächsteinfachste mögliche Erklärung für Hypatias Elementkonzentrationsmuster wäre ein roter Riesenstern. Rote Riesensterne sind im Universum weit verbreitet.

Aber die Protonenstrahldaten schlossen auch den Massenfluss von einem roten Riesenstern aus: Hypatia hatte zu viel Eisen, zu wenig Silizium und sehr geringe Konzentrationen schwerer Elemente, die schwerer als Eisen waren.

Es gibt keine Typ-2-Supernova

Der nächste „Verdächtige“, der in Betracht gezogen werden sollte, war eine Typ-II-Supernova. Supernovae vom Typ II kochen viel Eisen. Sie sind auch eine relativ häufige Art von Supernova.

Wieder einmal schlossen die Protonenstrahldaten von Hypatia den vielversprechendsten „forensischen chemischen“ Verdächtigen aus. Es ist höchst unwahrscheinlich, dass eine Supernova vom Typ II eine Quelle für exotische Mineralien wie Nickelphosphid im Kiesel ist. Es gab auch viel mehr Eisen in Hypatia im Vergleich zu Silizium und Kalzium.

Es ist Zeit, die vorhergesagte Chemie einer der dramatischsten Explosionen des Universums zu untersuchen.

Schwermetallfabrik

Eine seltenere Art von Supernova produziert auch viel Eisen. Supernovae vom Typ Ia treten nur ein- oder zweimal pro Galaxie in jedem Jahrhundert auf. Aber sie produzieren das meiste Eisen (Fe) im Universum. Der größte Teil des Stahls auf der Erde war einst das Element Eisen, das durch Ia-Supernovae entstanden ist.

Außerdem sagt die etablierte Wissenschaft, dass einige Ia-Supernovae sehr deutliche Hinweise auf „forensische Chemie“ hinterlassen. Dies liegt an der Art und Weise, wie einige Ia-Supernovae hergestellt werden.

Erstens kollabiert ein roter Riesenstern am Ende seines Lebens zu einem sehr dichten weißen Zwergstern. Weiße Zwergsterne sind normalerweise über sehr lange Zeiträume unglaublich stabil und es ist sehr unwahrscheinlich, dass sie explodieren. Allerdings gibt es hiervon Ausnahmen.

Ein weißer Zwergstern kann beginnen, Materie von einem anderen Stern in einem Doppelsternsystem zu „ziehen“. Man könnte sagen, dass der Weiße Zwergstern seinen Begleitstern „auffrisst“. Schließlich wird der Weiße Zwerg so schwer, heiß und instabil, dass er in einer Supernova Ia explodiert.

Die Kernfusion während einer Supernova-Ia-Explosion sollte höchst ungewöhnliche Muster der Elementkonzentration erzeugen, wie sie von anerkannten wissenschaftlichen theoretischen Modellen vorhergesagt werden.

Auch der weiße Zwergstern, der in einer Supernova Ia explodiert, zerbricht nicht nur in winzige Stücke, sondern explodiert buchstäblich in Atome. Supernova-Ia-Material wird in Form von Gasatomen ins All befördert.

Bei einer umfassenden Suche nach Sterndaten und Modellergebnissen war das Team nicht in der Lage, aus einem bestimmten Satz von Supernova-Ia-Modellen eine Chemikalie zu identifizieren, die dem Hypatia-Stein ähnlich oder am besten geeignet wäre.

Elemente forensischer Beweise

„Alle Supernova-Ia-Daten und theoretischen Modelle zeigen viel höhere Anteile von Eisen als Silizium und Kalzium als Supernova-2-Modelle“, sagt Kramers.

„Insofern stimmen die Daten des Hypatia Proton Beam Laboratory mit den Daten und Modellen der Ia-Supernova überein.“

Insgesamt entsprechen acht der 15 analysierten Items den erwarteten Bandbreiten der Verhältnisse für Eisen. Dies sind die Elemente Silizium, Schwefel, Calcium, Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen und Nickel.

Allerdings erfüllen nicht alle der fünfzehn in Hypatia analysierten Elemente die Erwartungen. Bei sechs der 15 Elemente waren die Verhältnisse 10- bis 100-mal höher als die Bereiche, die von theoretischen Modellen für Typ-1A-Supernovae vorhergesagt wurden. Das sind die Elemente Aluminium, Phosphor, Chlor, Kalium, Kupfer und Zink.

„Weil ein Weißer Zwerg aus einem sterbenden Roten Riesen besteht, hat Hypatia diese Anteile der Elemente für die sechs Elemente von einem Roten Riesenstern geerbt. Dieses Phänomen wurde in anderen Forschungsarbeiten bei Weißen Zwergen beobachtet“, fügt Kramers hinzu.

Wenn diese Hypothese richtig ist, dann wäre der Hypatia-Stein der erste konkrete Beweis auf der Erde für eine Supernova-Explosion vom Typ Ia, eines der energiereichsten Ereignisse im Universum.

Der Hypatia-Stein wird ein Beweis für eine kosmische Geschichte sein, die während der frühen Entstehung unseres Sonnensystems begann und viele Jahre später in einer abgelegenen Wüste gefunden wurde, die mit anderen Kieselsteinen übersät war.

Referenz: „The Chemistry of Extraterrestrial Carboniferous Stone“ Hypatia: A Perspective on Dust Heterogeneity in Interstellar Space“ von Jan D. Kramers, Georgy A. Ikarus.
DOI: 10.1016 / j.icarus.2022.115043