Внеземной камень, найденный в Египте, может быть первым на Земле свидетельством существования редкой сверхновой звезды

Новая химическая "экспертиза" показывает, что камень под названием Гипатия из египетской пустыни может быть первым найденным на Земле вещественным доказательством взрыва сверхновой типа Ia. Эти редкие сверхновые являются одними из самых энергичных событий во Вселенной.

Таков вывод нового исследования, опубликованного в журнале Icarus Яном Крамерсом, Георгием Беляниным, Хартмутом Винклером из Университета Йоханнесбурга (UJ) и др.

С 2013 года Белянин и Крамерс обнаружили в небольшом фрагменте Гипатийского камня ряд весьма необычных химических признаков.

В новом исследовании они исключили "космических подозреваемых" в происхождении камня в ходе кропотливого процесса. Они составили временную шкалу, восходящую к ранним этапам формирования Земли, Солнца и других планет нашей Солнечной системы.

Космическая хронология

Их гипотеза о происхождении Гипатии начинается со звезды: Красная гигантская звезда превратилась в белого карлика. Коллапс должен был произойти внутри гигантского пылевого облака, также называемого туманностью.

Белый карлик оказался в бинарной системе со второй звездой. Белая карликовая звезда в конце концов "съела" вторую звезду. В какой-то момент "голодный" белый карлик взорвался в виде сверхновой типа Ia внутри пылевого облака.

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

В каком-то смысле можно сказать, что мы "поймали" взрыв сверхновой Ia "на лету", потому что атомы газа от взрыва попали в окружающее пылевое облако, которое в итоге сформировало родительское тело Гипатии", - говорит Крамерс.

Огромный "пузырь" этой смеси пыли и газовых атомов сверхновой никогда не взаимодействовал с другими пылевыми облаками.

Прошли миллионы лет, и, в конце концов, "пузырь" медленно превратился в твердое тело, в своего рода "космический пылевой кролик". Родительское тело" Гипатии превратилось в твердый камень на ранних стадиях формирования нашей Солнечной системы.

Этот процесс, вероятно, произошел в холодной, спокойной внешней части Солнечной системы - в облаке Оорта или в поясе Койпера.

В какой-то момент материнская порода Гипатии начала двигаться в сторону Земли. Тепло при входе в земную атмосферу в сочетании с давлением при ударе в Великом песчаном море на юго-западе Египта привело к образованию микроалмазов и разрушению материнской породы.

Камень Гипатии, найденный в пустыне, должен быть одним из многих фрагментов первоначального ударного элемента.

"Если эта гипотеза верна, то камень Гипатии станет первым на Земле вещественным доказательством взрыва сверхновой типа Ia. Возможно, не менее важно то, что он показывает, что отдельная аномальная "посылка" пыли из космоса могла быть включена в солнечную туманность, из которой сформировалась наша Солнечная система, не будучи полностью перемешанной", - 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 хронологию того, как могла образоваться Гипатия, исследователи использовали несколько методов анализа странного камня.

В 2013 году исследование изотопов аргона показало, что камень образовался не на Земле. Он должен был быть внеземным. Исследование инертных газов во фрагменте, проведенное в 2015 году, показало, что он не может принадлежать ни к одному из известных типов метеоритов или комет.

В 2018 году команда UJ опубликовала результаты различных анализов, которые включали обнаружение минерала, фосфида никеля, ранее не встречавшегося ни в одном объекте в нашей Солнечной системе.

На том этапе Гипатия оказалась сложной для дальнейшего анализа. Следы металлов, которые искали Крамерс и Белянин, невозможно было "увидеть в деталях" с помощью имеющегося у них оборудования. Им нужен был более мощный прибор, который не разрушил бы крошечный образец.

Крамерс начал анализировать набор данных, созданный Беляниным за несколько лет до этого.

В 2015 году Белянин провел серию анализов на протонном пучке в лаборатории iThemba Labs в Сомерсет-Уэст. В то время доктор Войцех Пшибылович поддерживал работу установки с напряжением в три миллиона вольт.

В поисках закономерности

"Вместо того, чтобы исследовать все невероятные аномалии, которые представляет Hypatia, мы хотели выяснить, есть ли в них скрытое единство. Мы хотели увидеть, есть ли в камне какая-то последовательная химическая структура", - говорит Крамерс.

Белянин тщательно отобрал 17 объектов на крошечном образце для анализа. Все они были выбраны таким образом, чтобы находиться вдали от земных минералов, которые образовались в трещинах исходного камня после его падения в пустыне.

"Мы определили 15 различных элементов в Гипатии с гораздо большей точностью и аккуратностью с помощью протонного микрозонда. Это дало нам необходимые химические "ингредиенты", и Ян мог приступить к следующему процессу анализа всех данных", - говорит Белянин.

Протонный луч также исключает существование Солнечной системы

Первой большой новой уликой, полученной в результате анализа протонного пучка, стал удивительно низкий уровень кремния в мишенях из камня Гипатии. Содержание кремния, наряду с хромом и марганцем, было менее 1%, что было бы ожидаемо для чего-то, сформировавшегося в пределах нашей внутренней Солнечной системы.

Кроме того, высокое содержание железа, серы, фосфора, меди и ванадия было заметным и аномальным, добавляет Крамерс.

Мы обнаружили последовательную картину обилия микроэлементов, которая полностью отличается от всего, что есть в Солнечной системе, примитивного или эволюционного". Объекты в поясе астероидов и метеоры также не соответствуют этому. Поэтому мы обратили внимание на объекты за пределами Солнечной системы, - говорит Крамерс.

Не из нашего района

Затем Крамерс сравнил картину концентрации элементов в 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 из средней межзвездной пыли в нашем солнечном рукаве галактики Млечный Путь, тому, что мы видим в Гипатии. И снова не было никакого сходства", - добавляет Крамерс.

На данный момент данные протонного пучка также исключили четырех "подозреваемых" в том, где могла сформироваться Гипатия.

Гипатия не образовалась на Земле, не была частью какого-либо известного типа кометы или метеорита, не образовалась из обычной пыли внутренней Солнечной системы и не из обычной межзвездной пыли.

Не красный гигант

Следующим простейшим объяснением концентрации элементов в Гипатии может быть красная гигантская звезда. Красные гигантские звезды часто встречаются во Вселенной.

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

Не сверхновая типа II

Следующим "подозреваемым" была сверхновая II типа. Сверхновые II типа производят много железа. Они также являются относительно распространенным типом сверхновых.

Опять же, данные протонных лучей для Гипатии исключили перспективного подозреваемого с помощью "химической экспертизы". Сверхновая II типа была крайне маловероятна как источник странных минералов, таких как фосфид никеля в камешке. Кроме того, в Гипатии было слишком много железа по сравнению с кремнием и кальцием.

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

Фабрика тяжелых металлов

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

Кроме того, наука утверждает, что некоторые Ia-сверхновые оставляют после себя очень характерные следы "судебной химии". Это связано с тем, как устроены некоторые Ia-сверхновые.

Во-первых, красная гигантская звезда в конце своей жизни коллапсирует в очень плотную белую карликовую звезду. Белые карликовые звезды обычно невероятно стабильны в течение очень длительных периодов времени и наиболее маловероятно, что они взорвутся. Однако бывают и исключения.

Белая карликовая звезда может начать "вытягивать" материю из другой звезды в бинарной системе. Можно сказать, что звезда-карлик "съедает" свою звезду-компаньона. В конце концов, белый карлик становится настолько тяжелым, горячим и нестабильным, что взрывается в сверхновой Ia.

Ядерный синтез во время взрыва сверхновой Ia должен создать весьма необычные схемы концентрации элементов, как предсказывают принятые научные теоретические модели.

Кроме того, белая карликовая звезда, которая взрывается в сверхновой Ia, не просто разлетается на куски, а буквально разлетается на атомы. Материя сверхновой Ia попадает в космос в виде атомов газа.

В ходе обширного поиска в литературе данных о звездах и результатах моделей, команда не смогла найти ни одного похожего или лучшего химического соответствия для камня Гипатии, чем определенный набор моделей сверхновой Ia.

Криминалистические доказательства элементов

"Все данные и теоретические модели сверхновых Ia показывают гораздо более высокие пропорции железа по сравнению с кремнием и кальцием, чем модели сверхновых II", - говорит Крамерс.

"В этом отношении данные лаборатории протонного пучка на Гипатии соответствуют данным и моделям сверхновых Ia".

В целом, восемь из 15 проанализированных элементов соответствуют предсказанным диапазонам пропорций относительно железа. Это 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 от 10 до 100 раз выше, чем в теоретических моделях сверхновых типа 1А. Это элементы алюминий, фосфор, хлор, калий, медь и цинк.

Поскольку звезда типа "белый карлик" образуется из умирающего красного гиганта, Гипатия могла унаследовать эти пропорции шести элементов от звезды типа "красный гигант". Это явление наблюдалось у белых карликовых звезд в других исследованиях", - добавляет Крамерс.

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

Гипатский камень станет ключом к разгадке космической истории, которая началась во время раннего формирования нашей Солнечной системы и была найдена много лет спустя в отдаленной пустыне, усеянной другими камешками.