De nouvelles « forensics » chimiques suggèrent qu’une pierre appelée Hypatie du désert égyptien pourrait être la première preuve physique trouvée sur Terre d’une explosion de supernova de type Ia. Les supernovae rares comptent parmi les événements les plus énergétiques de l’univers.

C’est la conclusion d’une nouvelle étude menée par Jan Kramer, George Pelianin et Hartmut Winkler de[{ » 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.

La pierre d’Hypatie pourrait être la première preuve concrète sur Terre d’une explosion de supernova de type Ia. Les supernovae de type Ia sont rares et font partie des événements les plus énergétiques de l’univers. Les chercheurs de l’UJ ont trouvé un motif cohérent de 15 éléments dans la pierre d’Hypatie découverte en Égypte. Ce modèle est très différent de tout ce qui existe dans notre système solaire ou dans notre voisinage solaire en[{ » 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.

Diverses analyses de la pierre Hypatie en Égypte indiquent qu’elle ne s’est pas formée sur Terre ou dans notre système solaire. Une nouvelle étude montre qu’elle a peut-être conservé un schéma chimique inhabituel similaire à celui de l’explosion de la supernova Ia. Le Dr Georgi Pelyanin (Université de Johannesburg) a utilisé un faisceau de protons de 3 millions de volts pour analyser une petite partie de la pierre. Crédit : Thérèse Van Wyck

pas de notre temps

Kramers a ensuite comparé le modèle de concentration d’Hypatia à ce que l’on s’attendrait à voir dans la poussière interstellaire de notre bras solaire de la Voie lactée.

« Nous avons cherché à voir si le motif que nous obtenons de la poussière interstellaire intermédiaire dans le bras de la Voie lactée correspond à ce que nous voyons dans Hypatie. Encore une fois, il n’y avait absolument aucune similitude », ajoute Kramers.

À ce stade, les données du faisceau de protons ont également exclu quatre « suspects » de l’endroit où pourrait se trouver Hypatia.

Hypatia ne s’est pas formée sur Terre, ne faisait partie d’aucun type connu de comète ou de météorite, et n’a pas été formée à partir de la poussière moyenne du système solaire interne, ni à partir de la poussière interstellaire moyenne non plus.

Pas un géant rouge

La prochaine explication la plus simple possible du modèle de concentration d’éléments d’Hypatie serait une étoile géante rouge. Les étoiles géantes rouges sont courantes dans l’univers.

Mais les données du faisceau de protons ont également exclu le flux de masse d’une étoile géante rouge : Hypatia avait trop de fer, trop peu de silicium et de très faibles concentrations d’éléments lourds plus lourds que le fer.

Il n’y a pas de supernova de type 2

Le prochain « suspect » à considérer était une supernova de type II. Les supernovas de type II cuisent beaucoup de fer. Il s’agit également d’un type relativement courant de supernova.

Une fois de plus, les données du faisceau de protons d’Hypatia ont exclu le suspect « chimique médico-légal » le plus prometteur. Il est hautement improbable qu’une supernova de type II soit une source de minéraux exotiques tels que le phosphure de nickel dans le galet. Il y avait aussi beaucoup plus de fer dans Hypatie par rapport au silicium et au calcium.

Il est temps d’examiner la chimie prédite de l’une des explosions les plus dramatiques de l’univers.

usine de métaux lourds

Un type plus rare de supernova produit également beaucoup de fer. Les supernovae de type Ia ne se produisent qu’une ou deux fois par galaxie par siècle. Mais ils fabriquent le plus de fer (Fe) dans l’univers. La majeure partie de l’acier sur Terre était autrefois l’élément fer, qui a été créé par Ia supernovae.

En outre, la science établie dit que certaines supernovae Ia laissent derrière elles des indices très distincts sur la « chimie médico-légale ». Cela est dû à la façon dont certaines supernovae Ia sont préparées.

Tout d’abord, à la fin de sa vie, une étoile géante rouge s’effondre en une étoile naine blanche très dense. Les étoiles naines blanches sont généralement incroyablement stables pendant de très longues périodes et il est très peu probable qu’elles explosent. Cependant, il existe des exceptions à cela.

Une étoile naine blanche peut commencer à « extraire » de la matière d’une autre étoile dans un système binaire. On pourrait dire que l’étoile naine blanche « dévore » son étoile compagne. Finalement, la naine blanche devient si lourde, chaude et instable qu’elle explose en une supernova Ia.

La fusion nucléaire lors d’une explosion de supernova Ia devrait créer des schémas de concentration d’éléments très inhabituels, comme le prédisent les modèles théoriques scientifiques acceptés.

De plus, l’étoile naine blanche qui explose dans une supernova Ia non seulement se brise en petits morceaux, mais explose littéralement en atomes. La matière de la supernova Ia est envoyée dans l’espace sous forme d’atomes de gaz.

Dans une recherche approfondie des données sur les étoiles et des résultats des modèles, l’équipe n’a pas été en mesure d’identifier un produit chimique similaire ou le mieux adapté à la pierre Hypatia à partir d’un ensemble spécifique de modèles de supernova Ia.

Éléments de preuve médico-légale

« Toutes les données de supernova Ia et les modèles théoriques montrent des proportions beaucoup plus élevées de fer que de silicium et de calcium que les modèles de supernova 2 », explique Kramers.

« A cet égard, les données du laboratoire Hypatia Proton Beam sont cohérentes avec les données et les modèles de la supernova Ia. »

Au total, huit des 15 items analysés correspondent aux fourchettes de ratios attendues pour le fer. Ce sont les éléments silicium, soufre, calcium, titane, vanadium, chrome, manganèse, fer et nickel.

Cependant, les quinze items analysés dans Hypatia ne répondent pas tous aux attentes. Dans six des 15 éléments, les rapports étaient 10 à 100 fois plus élevés que les plages prédites par les modèles théoriques pour les supernovae de type 1A. Ce sont les éléments aluminium, phosphore, chlore, potassium, cuivre et zinc.

« Parce qu’une étoile naine blanche est constituée d’une géante rouge mourante, Hypatie a hérité ces proportions d’éléments pour les six éléments d’une étoile géante rouge. Ce phénomène a été observé dans des étoiles naines blanches dans d’autres recherches », ajoute Kramers.

Si cette hypothèse est correcte, alors la pierre d’Hypatie serait la première preuve concrète sur Terre d’une explosion de supernova de type Ia, l’un des événements les plus énergétiques de l’univers.

La pierre d’Hypatie sera la preuve d’une histoire cosmique qui a commencé au début de la formation de notre système solaire et a été retrouvée de nombreuses années plus tard dans un désert lointain parsemé d’autres cailloux.

Référence : « La chimie de la pierre carbonifère extraterrestre » Hypatie : une perspective sur l’hétérogénéité de la poussière dans l’espace interstellaire » par Jan D. Kramers, Georgy A. Icare.
DOI : 10.1016 / j.icarus.2022.115043