3그램(0.1온스)의 히파티아 스톤 샘플. 연구원들은 Hypatia 석재에서 15개 요소의 일관된 패턴을 발견했습니다. 이 패턴은 우리 태양계나 우리 태양계 이웃인 은하수와 매우 다릅니다. 크레딧: Romano Serra
새로운 화학 “법의학”은 이집트 사막의 Hypatia라고 불리는 돌이 Ia형 초신성 폭발의 지구에서 발견된 최초의 물리적 증거가 될 수 있음을 시사합니다. 희귀 초신성은 우주에서 가장 에너지가 넘치는 사건 중 하나입니다.
이것이 Jan Kramer, George Pelianin 및 Hartmut Winkler의 새로운 연구 연구의 결론입니다.[{” 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.
Hypatia 돌은 Ia형 초신성 폭발의 지구상의 첫 번째 구체적인 증거가 될 수 있습니다. Ia형 초신성은 드물며 우주에서 가장 활기찬 사건 중 일부입니다. UJ 연구원들은 이집트에서 발견된 히파티아(Hypatia) 석재에서 15개 원소의 일관된 패턴을 발견했습니다. 이 패턴은 우리 태양계의 어떤 것과도 매우 다릅니다.[{” 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.
이집트의 히파티아 돌에 대한 다양한 분석은 그것이 지구나 태양계 내에서 형성되지 않았음을 나타냅니다. 새로운 연구는 그것이 초신성 Ia 폭발과 유사한 특이한 화학적 패턴을 보존했을 수 있음을 보여줍니다. Georgi Pelyanin 박사(요하네스버그 대학)는 3백만 볼트의 양성자 빔을 사용하여 돌의 작은 부분을 분석했습니다. 크레딧: 테레즈 반 윅
우리 시대가 아니라
그런 다음 Kramers는 Hypatia의 농도 패턴을 우리은하의 태양 팔에 있는 성간 먼지에서 볼 것으로 예상되는 것과 비교했습니다.
“우리는 우리은하의 팔에 있는 평균적인 성간 먼지에서 얻은 패턴이 Hypatia에서 보는 패턴과 맞는지 확인했습니다. 다시 말하지만, 유사성은 전혀 없었습니다.”라고 Kramers가 덧붙입니다.
이 시점에서 양성자 빔 데이터는 Hypatia가 있을 수 있는 4명의 “용의자”도 배제했습니다.
Hypatia는 지구에서 형성되지 않았으며 알려진 유형의 혜성이나 운석의 일부도 아니며 내부 태양계의 평균 먼지로 구성되지 않았으며 평균 성간 먼지도 아닙니다.
적색거성이 아니다.
Hypatia의 원소 집중 패턴에 대한 다음으로 가장 간단한 설명은 적색 거성일 것입니다. 적색거성은 우주에서 흔히 볼 수 있습니다.
그러나 양성자 빔 데이터는 적색거성에서 나오는 질량 플럭스도 배제했습니다. 히파티아에는 철이 너무 많고 규소가 너무 적으며 철보다 무거운 중원소 농도가 매우 낮습니다.
2형 초신성은 없다
다음으로 고려해야 할 “용의자”는 II형 초신성이었습니다. II형 초신성은 많은 양의 철을 요리합니다. 그들은 또한 비교적 흔한 유형의 초신성입니다.
다시 한 번, Hypatia의 양성자 빔 데이터는 가장 유력한 “법의학 화학” 용의자를 배제했습니다. II형 초신성이 조약돌에 있는 인화니켈과 같은 이국적인 광물의 원천일 가능성은 매우 낮습니다. 또한 Hypatia에는 실리콘과 칼슘에 비해 철분이 훨씬 더 많이 함유되어 있었습니다.
이제 우주에서 가장 극적인 폭발 중 하나의 예측된 화학 반응을 조사할 시간입니다.
중금속 공장
더 희귀한 유형의 초신성 역시 많은 양의 철을 생산합니다. Ia형 초신성은 100년에 한 은하당 한 번 또는 두 번만 발생합니다. 그러나 그들은 우주에서 가장 많은 철(Fe)을 만듭니다. 지구에 있는 대부분의 강철은 한때 Ia 초신성에 의해 생성된 원소 철이었습니다.
또한 확립된 과학에 따르면 일부 Ia 초신성은 “법의학”에 대한 매우 뚜렷한 단서를 남깁니다. 이것은 일부 Ia 초신성이 준비되는 방식 때문입니다.
첫째, 수명이 끝나면 적색 거성은 매우 밀도가 높은 백색 왜성으로 붕괴됩니다. 백색 왜성은 일반적으로 매우 오랜 기간 동안 믿을 수 없을 정도로 안정적이며 폭발할 가능성이 매우 낮습니다. 그러나 여기에는 예외가 있습니다.
백색 왜성은 쌍성계의 다른 별에서 물질을 “끌어오기” 시작할 수 있습니다. 백색 왜성은 동료 별을 “먹는다”고 말할 수 있습니다. 결국 백색 왜성은 너무 무겁고 뜨겁고 불안정해져서 초신성 Ia로 폭발합니다.
초신성 Ia 폭발 동안의 핵융합은 받아들여지는 과학적 이론 모델에 의해 예측된 바와 같이 매우 특이한 원소 농도 패턴을 생성해야 합니다.
또한 초신성 Ia에서 폭발하는 백색왜성은 아주 작은 조각으로 부서질 뿐만 아니라 문자 그대로 원자로 폭발합니다. 초신성 Ia 물질은 가스 원자의 형태로 우주로 전달됩니다.
별 데이터와 모델 결과에 대한 포괄적인 검색에서 팀은 특정 초신성 Ia 모델 세트에서 Hypatia 돌과 유사하거나 가장 적합한 화학 물질을 식별할 수 없었습니다.
법의학적 증거의 요소
“모든 초신성 Ia 데이터와 이론적 모델은 초신성 2 모델보다 규소보다 철 및 칼슘보다 훨씬 높은 비율을 보여줍니다.”라고 Kramers가 말했습니다.
“이런 점에서 Hypatia Proton Beam Laboratory의 데이터는 Ia 초신성의 데이터와 일치합니다.”
전체적으로 분석된 15개 항목 중 8개가 철의 예상 비율 범위에 해당합니다. 이들은 규소, 황, 칼슘, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철 및 니켈 원소입니다.
그러나 Hypatia에서 분석한 15개 항목 모두가 기대에 부응하는 것은 아닙니다. 15개 원소 중 6개 원소의 비율은 1A형 초신성에 대한 이론적 모델이 예측한 범위보다 10~100배 더 높았다. 이들은 알루미늄, 인, 염소, 칼륨, 구리 및 아연 원소입니다.
“백색 왜성은 죽어가는 적색 거성으로 구성되어 있기 때문에 Hypatia는 적색 거성으로부터 6개 요소에 대한 이러한 비율의 요소를 물려받았습니다. 이 현상은 다른 연구에서 백색 왜성에서 관찰되었습니다.”라고 Kramers가 덧붙입니다.
이 가설이 맞다면 히파티아 돌은 우주에서 가장 에너지가 넘치는 사건 중 하나인 Ia형 초신성 폭발에 대한 지구상의 첫 번째 구체적인 증거가 될 것입니다.
Hypatia 돌은 우리 태양계의 초기 형성 중에 시작된 우주 이야기의 증거가 될 것이며 몇 년 후 다른 자갈이 흩어져 있는 외딴 사막에서 발견되었습니다.
참조: Jan D. Kramers, Georgy A. “The Chemistry of Extraterrestrial Carboniferous Stone” Hypatia: A Perspective on Dust Heterogeneity in Interstellar Space” 이카루스.
DOI: 10.1016 / j.icarus.2022.115043