Znaleziony na egipskiej pustyni kamień o nazwie Hypatia może być pierwszym namacalnym dowodem na eksplozję supernowej typu Ia znalezionym na Ziemi. Te rzadkie supernowe są jednymi z najbardziej energetycznych wydarzeń we Wszechświecie.
W 1996 roku na pustyni w południowo-zachodnim Egipcie znaleziono niezwykły meteoryt. Kamień został nazwany na cześć Hypatii z Aleksandrii – starożytnej badaczki, która zajmowała się filozofią, matematyką i astronomią. Pierwsze analizy tego ważącego około 30 gramów meteorytu zaskoczyły badaczy, bo skład kamienia był niepodobny do żadnego znanego meteorytu. Uczeni znaleźli liczne anomalie w składzie izotopowym gazów szlachetnych, azotu oraz węgla. Do tego obecność i sposób rozmieszczenia różnych pierwiastków i ich proporcje sugerowały wyjątkowe znalezisko.
Naukowe śledztwo prowadzone przez badaczy z Uniwersytetu w Johannesburgu doprowadziło do odkrycia niezwykłych wskazówek chemicznych w małym fragmencie kosmicznej skały, które sugerują jej pochodzenie. Uczeni poskładali razem zdobyte informacje i doszli do wniosku, że Hypatia zwiera fragmenty chmury pyłu i gazu powstałej po eksplozji supernowej typu Ia w odległej przeszłości. Naukowcy twierdzą, że w ciągu miliardów lat ta mieszanka pyłu i gazu zamieniła się w ciało stałe, ostatecznie tworząc obiekt macierzysty, z którego pochodzi Hypatia.
Scenariusz zaproponowany przez naukowców w publikacji, która ukazała się na łamach pisma „Icarus” (DOI: 10.1016/j.icarus.2022.115043) zaczyna się od gwiazdy - czerwonego olbrzyma, który po ustaniu reakcji jądrowych zapadł się w białego karła. Zdarzenie to miało miejsce w mgławicy - gigantycznym obłoku pyłu. Biały karzeł znalazł się w układzie podwójnym z drugą gwiazdą, z której podkradał materię. W rezultacie przybrał na masie tak, że eksplodował jako supernowa typu Ia.
Supernowe typu Ia są najbardziej energetycznymi zjawiskami wśród wszystkich znanych nam rodzajów supernowych. Charakteryzują się tym, że w ich widmie nie ma linii wodoru i helu, jest za to silna linia krzemu. Powstałe po eksplozji atomy gazu z czasem uległy schłodzeniu i zaczęły przyklejać się do cząstek obłoku pyłu.
Scenariusz przedstawiony przez badaczy zakłada, że powstały „bąbel” mieszkanki gazu i pyłu nigdy nie wchodził w interakcję z innymi obłokami pyłu. Mijały miliony lat, aż w końcu gazowo-pyłowa chmura zaczęła formować obiekty, takie jak obiekt macierzysty Hypatii. W pewnym momencie ta macierzysta skała zaczęła pędzić w kierunku Ziemi, na której ostatecznie się roztrzaskała. Uczeni zakładają, że kamień znaleziony na pustyni musi być jednym z wielu fragmentów oryginalnego obiektu.
- Możemy powiedzieć, że w pewnym sensie „złapaliśmy” wybuch supernowej Ia „na żywo”, ponieważ atomy gazu powstałe po eksplozji zostały złapane w chmurę pyłu, która ostatecznie uformowała ciało macierzyste Hypatii – mówi Jan Kramers z Uniwersytetu w Johannesburgu. - Jeśli ta hipoteza jest poprawna, kamień Hypatii byłby pierwszym namacalnym dowodem znalezionym na Ziemi na wybuch supernowej typu Ia – dodaje.
Uczeni sądzą, że proces ten miał miejsce miliardy lat temu w mgławicy, z której powstał nasz system planetarny. - Nasze ustalenia są sprzeczne z konwencjonalnym poglądem, że pył, z którego powstał nasz Układ Słoneczny, został dokładnie wymieszany – zaznacza Kramers.
Powyższy scenariusz nie jest wynikiem bujnej wyobraźni astronomów z RPA. Powstał dzięki wnioskom płynącym z badań kosmicznej skały za pomocą różnych technik analitycznych.
W 2013 roku badanie izotopów argonu, wchodzących w skład Hypatii wykazało, że skała nie powstała na Ziemi. Badanie izotopów gazów szlachetnych z 2015 r. wykazało, że może nie pochodzić z żadnego znanego typu meteorytu lub komety.
W 2018 roku zespół polskich naukowców opublikował różne analizy, które obejmowały odkrycie minerału, fosforku niklu, nie występującego wcześniej w żadnym obiekcie w naszym Układzie Słonecznym, co doprowadziło do wniosku, że obiekt macierzysty Hypatii pochodził z mgławicy starszej niż Układ Słoneczny.
Na tym etapie Hypatia okazała się trudna do dalszej analizy. Naukowcy potrzebowali mocniejszego sprzętu, który nie zniszczyłby maleńkiej próbki i pozwoliłby na kolejne odkrycia. Zastosowali metodę mikro-PIXE (Particle Induced X-ray Emission). - Zamiast badać wszystkie niesamowite anomalie, jakie przedstawia Hypatia, chcieliśmy sprawdzić, czy w kamieniu istnieje jakiś spójny wzór chemiczny - mówi Kramers.
Dzięki metodzie mikro-PIXE, która jest bardzo czułą metodą i polega na wzbudzaniu promieniowania X przy użyciu wiązki protonów, naukowcy dostali kolejne dane do analizy. To technika, która nie niszczy analizowanej próbki. Obecnie używana jest rutynowo przez geologów, archeologów, konserwatorów dzieł sztuki i innych badaczy, aby pomóc odpowiedzieć na pytania dotyczące pochodzenia, wieku czy autentyczności danego materiału.
- Zidentyfikowaliśmy 15 różnych pierwiastków w Hypatii ze znacznie większą precyzją i dokładnością. To dało nam potrzebne „składniki” i można było rozpocząć kolejny proces analizy wszystkich danych – mówi dr Georgy Belyanin.
Pierwszą ważną wskazówką uzyskaną dzięki zastosowaniu tej metody był zaskakująco niski poziom krzemu w Hypatii. Krzem, wraz z chromem i manganem, stanowiły mniej niż 1 proc. składu. Ponadto zastanawiał wysoki poziom żelaza, siarki, fosforu, miedzi i wanadu.
- Znaleźliśmy spójny wzór pierwiastków, który jest zupełnie inny niż wszystko w Układzie Słonecznym. Obiekty w pasie asteroid i meteory również nie pasują. Więc spojrzeliśmy poza Układ Słoneczny – mówi Kramers.
Badacze porównali uzyskany wzór koncentracji pierwiastków w Hypatii z tym, czego można spodziewać się w pyle międzygwiezdnym w naszym ramieniu galaktyki Drogi Mlecznej. - Sprawdziliśmy, czy wzór, który otrzymujemy z przeciętnego pyłu międzygwiazdowego w naszym ramieniu Drogi Mlecznej, pasuje do tego, co widzimy w Hypatii. Ponownie, nie było żadnego podobieństwa – przyznaje Kramers.
W rezultacie naukowcy wykluczyli cztery możliwe miejsca pochodzenia Hypatii. Kosmiczna skała nie powstała na Ziemi, nie była częścią żadnego znanego typu komety czy meteorytu, nie powstała z pyłu w Układzie Słonecznym, ani też z pyłu międzygwiazdowego.
Następnym najprostszym możliwym wyjaśnieniem wzorca koncentracji pierwiastków w Hypatii byłby czerwony olbrzym. Czerwone olbrzymy są powszechne we Wszechświecie. Ale Hypatia zawiera za dużo żelaza, za mało krzemu i ma zbyt niskie koncentracje ciężkich pierwiastków, cięższych od żelaza, co wyklucza także czerwone olbrzymy.
Kolejnym podejrzanym do rozważenia była supernowa typu II. Tego typu supernowe „wypluwają” dużo żelaza. Są również stosunkowo powszechnym typem supernowych. Ale ponownie dane uzyskane z badań wykluczyły i tego podejrzanego. Supernowa typu II była wysoce nieprawdopodobna jako źródło dziwnych minerałów, takich jak fosforek niklu obecny w meteorycie. W Hypatii było też za dużo żelaza w porównaniu z krzemem i wapniem.
Badając pochodzenie kosmicznej skały uczonym zostało już tylko sprawdzenie, czy Hypatia nie powstała czasami w jednej z najbardziej energetycznych eksplozji we Wszechświecie – supernowej typu Ia. To rzadki rodzaj kosmicznej eksplozji. Zdarza się, jak szacują uczeni, tylko raz lub dwa na stulecie. Ten typ supernowej wytwarza ogromne ilości żelaza, badacze wskazują, że większość tego pierwiastka we Wszechświecie pochodzi właśnie z takich supernowych.
Niektóre supernowe typu Ia pozostawiają po sobie bardzo charakterystyczne wskazówki.
Czerwony olbrzym pod koniec swojego życia zapada się w białego karła. Gwiazdy te są zwykle stabilne przez bardzo długie okresy i raczej nie wybuchają. Jednak są od tego wyjątki. Biały karzeł może zacząć podbierać materię z gwiazdy towarzyszącej mu w układzie podwójnym. Można powiedzieć, że biały karzeł „zjada” swoją towarzyszkę. W końcu staje się tak ciężki, gorący i niestabilny, że eksploduje jako supernowa typu Ia.
Jak przewidują przyjęte modele teoretyczne, podczas wybuchu supernowej Ia powinny wytworzyć się nietypowe wzorce koncentracji pierwiastków. Ponadto biały karzeł, który eksploduje w supernowej Ia, nie jest po prostu rozrywany na kawałki, jest, jak to określili autorzy publikacji, rozerwany na atomy. Materia z supernowej Ia jest „wypluwana” w kosmos jako atomy gazu.
Po przeszukaniu literatury naukowej naukowcy przyznali, że jest to najlepsze dopasowanie, jakie udało im się znaleźć. - Wszystkie dane i modele teoretyczne dotyczące supernowej Ia wykazują znacznie wyższy udział żelaza w porównaniu z krzemem i wapniem niż modele supernowej typu II. Pod tym względem dane uzyskane z badań Hypatii pasują do danych i modeli supernowej Ia – mówi Kramers.
W sumie 8 z 15 analizowanych pierwiastków odpowiada przewidywanym zakresom proporcji. Jednak nie wszystkie z analizowanych pierwiastków w Hypatii pasują do przewidywań. W sześciu z nich proporcje były od 10 do 100 razy wyższe niż zakresy przewidywane przez modele teoretyczne supernowych typu Ia. - Ponieważ biały karzeł powstaje z umierającego czerwonego olbrzyma, Hypatia mogła odziedziczyć te proporcje pierwiastków dla sześciu z 15 analizowanych. Zjawisko to zaobserwowano w przypadku białych karłów w innych badaniach – dodaje Kramers.
Źródło: University of Johannesburg, fot. Jan Kramers. Na zdjęciu maleńkie próbki meteorytu Hypatia obok monety
