عينة بحجم 3 جرام (0.1 أونصة) من حجر هيباتيا. وجد الباحثون نمطًا ثابتًا من 15 عنصرًا في حجر هيباتيا. هذا النمط يختلف تمامًا عن أي شيء في نظامنا الشمسي أو في جوارنا الشمسي ، في مجرة درب التبانة. الائتمان: رومانو سيرا
تشير “الطب الشرعي” الكيميائي الجديد إلى أن الحجر المسمى هيباتيا من الصحراء المصرية يمكن أن يكون أول دليل مادي يُعثر على الأرض على انفجار مستعر أعظم من النوع Ia. تعتبر المستعرات الأعظمية النادرة من أكثر الأحداث نشاطًا في الكون.
هذا هو الاستنتاج الذي توصلت إليه دراسة بحثية جديدة أجراها جان كرامر وجورج بيليانين وهارتموت وينكلر من[{” 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.
https://www.youtube.com/watch؟v=vOA6i6aeyoE
يمكن أن يكون حجر هيباتيا أول دليل ملموس على الأرض لانفجار مستعر أعظم من النوع Ia. السوبرنوفا من النوع Ia نادرة – وبعض الأحداث الأكثر نشاطًا في الكون. وجد باحثو UJ نمطًا ثابتًا من 15 عنصرًا في حجر هيباتيا المكتشف في مصر. هذا النمط يختلف تمامًا عن أي شيء في نظامنا الشمسي أو حينا الشمسي في[{” 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.
https://www.youtube.com/watch؟v=ah8d88btd3c
تشير التحليلات المختلفة لحجر هيباتيا في مصر إلى أنه لم يتشكل على الأرض أو داخل نظامنا الشمسي. أظهرت دراسة جديدة أنها ربما تكون قد حافظت على نمط كيميائي غير عادي مشابه لما حدث في انفجار سوبرنوفا Ia. استخدم الدكتور جورجي بيليانين (جامعة جوهانسبرج) شعاع بروتون بقوة 3 ملايين فولت لتحليل جزء صغير من الحجر. الائتمان: تيريز فان ويك
ليس من حينا
ثم قارن كرامرز نمط تركيز عنصر هيباتيا بما يتوقع المرء أن يراه في الغبار بين النجوم في ذراعنا الشمسية لمجرة درب التبانة.
“لقد بحثنا لمعرفة ما إذا كان النمط الذي نحصل عليه من الغبار البينجمي المتوسط في ذراع مجرة درب التبانة يناسب ما نراه في هيباتيا. مرة أخرى ، لم يكن هناك أي تشابه على الإطلاق ، “يضيف كرامرز.
في هذه المرحلة ، استبعدت بيانات حزمة البروتون أيضًا أربعة “مشتبه بهم” في المكان الذي يمكن أن تكون هيباتيا فيه.
لم تتشكل هيباتيا على الأرض ، ولم تكن جزءًا من أي نوع معروف من المذنبات أو النيزك ، ولم تتشكل من متوسط غبار النظام الشمسي الداخلي ، وليس من متوسط الغبار البينجمي أيضًا.
ليس عملاق أحمر
سيكون التفسير التالي الأبسط المحتمل لنمط تركيز العنصر في هيباتيا هو نجم عملاق أحمر. النجوم العملاقة الحمراء شائعة في الكون.
لكن بيانات شعاع البروتون استبعدت التدفق الجماعي من نجم عملاق أحمر أيضًا: كان لدى هيباتيا الكثير من الحديد وقليل جدًا من السيليكون وتركيزات منخفضة جدًا من العناصر الثقيلة أثقل من الحديد.
ولا مستعر أعظم من النوع الثاني
كان “المشتبه به” التالي الذي يجب مراعاته هو مستعر أعظم من النوع الثاني. السوبرنوفا من النوع الثاني تطبخ الكثير من الحديد. وهي أيضًا نوع شائع نسبيًا من المستعرات الأعظمية.
مرة أخرى ، استبعدت بيانات حزمة البروتون الخاصة بـ Hypatia المشتبه به الواعد بـ “الطب الشرعي الكيميائي”. من المستبعد جدًا أن يكون المستعر الأعظم من النوع الثاني مصدرًا لمعادن غريبة مثل فوسفيد النيكل في الحصاة. كان هناك أيضًا الكثير من الحديد في هيباتيا مقارنة بالسيليكون والكالسيوم.
حان الوقت لفحص الكيمياء المتوقعة لواحد من أكثر الانفجارات دراماتيكية في الكون.
مصنع المعادن الثقيلة
وهناك نوع أندر من المستعرات الأعظمية ينتج عنه أيضًا الكثير من الحديد. السوبرنوفا من النوع Ia تحدث مرة أو مرتين فقط لكل مجرة كل قرن. لكنهم يصنعون معظم الحديد (Fe) في الكون. كان معظم الفولاذ الموجود على الأرض في يوم من الأيام عنصر الحديد الذي تم إنشاؤه بواسطة المستعرات الأعظمية Ia.
أيضًا ، يقول العلم الراسخ أن بعض المستعرات الأعظمية Ia تترك وراءها أدلة مميزة جدًا حول “كيمياء الطب الشرعي”. هذا بسبب الطريقة التي يتم بها إعداد بعض المستعرات الأعظمية Ia.
أولاً ، ينهار نجم أحمر عملاق في نهاية حياته إلى نجم قزم أبيض كثيف للغاية. عادة ما تكون النجوم القزمة البيضاء مستقرة بشكل لا يصدق لفترات طويلة جدًا ومن غير المرجح أن تنفجر. ومع ذلك ، هناك استثناءات لهذا.
يمكن لنجم قزم أبيض أن يبدأ في “سحب” المادة من نجم آخر في نظام ثنائي. يمكن للمرء أن يقول إن النجم القزم الأبيض “يلتهم” نجمه المصاحب. في النهاية ، يصبح القزم الأبيض ثقيلًا وساخنًا وغير مستقر لدرجة أنه ينفجر في مستعر أعظم Ia.
يجب أن يخلق الاندماج النووي أثناء انفجار المستعر الأعظم Ia أنماطًا غير عادية للغاية لتركيز العناصر ، كما تتنبأ النماذج النظرية العلمية المقبولة.
أيضًا ، النجم القزم الأبيض الذي ينفجر في مستعر أعظم Ia لا يتحول إلى أجزاء صغيرة فحسب ، بل ينفجر حرفيًا في الذرات. يتم تسليم مادة المستعر الأعظم Ia إلى الفضاء على شكل ذرات غاز.
في بحث شامل عن بيانات النجوم ونتائج النماذج ، لم يتمكن الفريق من تحديد أي مادة كيميائية مماثلة أو أفضل ملائمة لحجر هيباتيا من مجموعة محددة من نماذج المستعر الأعظم Ia.
عناصر الأدلة الجنائية
يقول كرامرز: “تُظهر جميع بيانات المستعر الأعظم Ia والنماذج النظرية نسبًا أعلى بكثير من الحديد مقارنةً بالسيليكون والكالسيوم مقارنة بنماذج المستعر الأعظم 2”.
“في هذا الصدد ، تتوافق بيانات مختبر شعاع البروتون في هيباتيا مع بيانات ونماذج المستعر الأعظم Ia.”
إجمالاً ، ثمانية من العناصر الخمسة عشر التي تم تحليلها تتوافق مع النطاقات المتوقعة للنسب بالنسبة للحديد. هذه هي عناصر السيليكون والكبريت والكالسيوم والتيتانيوم والفاناديوم والكروم والمنغنيز والحديد والنيكل.
ومع ذلك ، لا تتوافق جميع العناصر الخمسة عشر التي تم تحليلها في هيباتيا مع التوقعات. في ستة من العناصر الخمسة عشر ، كانت النسب أعلى من 10 إلى 100 مرة من النطاقات التي تنبأت بها النماذج النظرية للمستعرات الأعظمية من النوع 1A. هذه هي عناصر الألمنيوم والفوسفور والكلور والبوتاسيوم والنحاس والزنك.
“نظرًا لأن نجمًا قزمًا أبيض يتكون من عملاق أحمر يحتضر ، فقد ورثت هيباتيا هذه النسب من العناصر للعناصر الستة من نجم أحمر عملاق. وقد لوحظت هذه الظاهرة في النجوم القزمة البيضاء في أبحاث أخرى ، يضيف كرامرز.
إذا كانت هذه الفرضية صحيحة ، فإن حجر هيباتيا سيكون أول دليل ملموس على الأرض لانفجار مستعر أعظم من النوع Ia ، وهو أحد أكثر الأحداث نشاطًا في الكون.
سيكون حجر هيباتيا دليلًا على قصة كونية بدأت خلال التكوين المبكر لنظامنا الشمسي ، وتم العثور عليها بعد سنوات عديدة في صحراء نائية تتناثر فيها الحصى الأخرى.
المرجع: “كيمياء الحجر الكربوني خارج كوكب الأرض” هيباتيا: منظور حول عدم تجانس الغبار في الفضاء بين النجوم “بقلم جان د. كرامرز ، وجورجي أ. إيكاروس.
DOI: 10.1016 / j.icarus.2022.115043
. “محلل حائز على جوائز. محب للموسيقى. منشئ. هواة Twitter. مستكشف ودود. محب للتواصل ودود.”