Un échantillon de 3 grammes (0,1 once) de la pierre d’Hypatie. Les chercheurs ont trouvé un modèle cohérent de 15 éléments dans la pierre d’Hypatie. Ce modèle ne ressemble en rien à ce qui existe dans notre système solaire ou dans notre voisinage solaire, dans la Voie lactée. Crédit : Romano Serra
Une nouvelle chimie “médico-légale” indique que la pierre nommée Hypatie provenant du désert égyptien pourrait être la première preuve physique trouvée sur Terre d’une explosion de supernova de type Ia. Ces supernovas rares sont parmi les événements les plus énergétiques de l’univers.
C’est la conclusion d’une nouvelle étude menée par Jan Kramers, Georgy Belyanin et Hartmut Winkler du 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 tangible sur Terre d’une explosion de supernova de type Ia. Les supernovas de type Ia sont rares – et comptent parmi les événements les plus énergétiques de l’univers. Les chercheurs de l’UJ ont trouvé un schéma cohérent de 15 éléments dans la pierre d’Hypatie découverte en Égypte. Ce modèle ne ressemble en rien à ce que l’on trouve dans notre système solaire ou dans notre voisinage solaire dans le 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 d’Hypatie en Égypte indiquent qu’elle n’a pas été formée sur Terre ou à l’intérieur de notre système solaire. Une nouvelle étude montre qu’elle pourrait avoir conservé un profil chimique inhabituel, similaire à celui d’une explosion de supernova Ia. Le Dr Georgy Belyanin (Université de Johannesburg) a utilisé un faisceau de protons de 3 millions de volts pour analyser un minuscule fragment de la pierre. Crédit : Therese van Wyk
Pas de chez nous
Kramers a ensuite comparé le modèle de concentration des éléments d’Hypatie avec ce que l’on pourrait s’attendre à voir dans la poussière entre les étoiles de notre bras solaire de la Voie lactée.
“Nous avons cherché à voir si le modèle que nous obtenons à partir de la poussière interstellaire moyenne dans notre bras de la galaxie de la Voie lactée correspond à ce que nous voyons dans Hypatia. Là encore, il n’y avait aucune similitude”, ajoute Kramers.
A ce stade, les données du faisceau de protons ont également permis d’exclure quatre “suspects” de l’endroit où Hypatia aurait pu se former.
Hypatie ne s’est pas formée sur la terre, ne faisait partie d’aucun type connu de comète ou de météorite, ne s’est pas formée à partir de la poussière moyenne du système solaire interne, et pas non plus à partir de la poussière interstellaire moyenne.
Pas une géante rouge
La deuxième explication la plus simple pour le modèle de concentration des éléments dans Hypatie serait une étoile géante rouge. Les étoiles géantes rouges sont courantes dans l’univers.
Mais les données du faisceau de protons ont exclu l’écoulement de masse d’une étoile géante rouge : Hypatia avait trop de fer, trop peu de silicium, et des concentrations trop faibles d’éléments lourds plus lourds que le fer.
Ni une supernova de type II
Le prochain “suspect” à considérer était une supernova de type II. Les supernovas de type II consomment beaucoup de fer. Elles sont aussi un type de supernova relativement commun.
Une fois de plus, les données du faisceau de protons d’Hypatia ont permis d’exclure un suspect prometteur grâce à la ” médecine légale chimique “. Une supernova de type II était hautement improbable comme source de minéraux étranges comme le phosphure de nickel dans le caillou. Il y avait également trop de fer dans Hypatie par rapport au silicium et au calcium.
Il était temps d’examiner de près la chimie prévue de l’une des explosions les plus spectaculaires de l’univers.
Usine de métal lourd
Un type de supernova plus rare produit également beaucoup de fer. Les supernovas de type Ia ne se produisent qu’une ou deux fois par galaxie et par siècle. Mais elles fabriquent la majeure partie du fer (Fe) de l’univers. La plupart de l’acier sur terre était autrefois le fer élémentaire créé par les supernovas de type Ia.
De plus, selon la science établie, certaines supernovas Ia laissent derrière elles des indices de “chimie médico-légale” très distinctifs. Cela est dû au fait quela façon dont certaines supernovas Ia sont créées.
Premièrement, une étoile géante rouge en fin de vie s’effondre en une étoile naine blanche très dense. Les étoiles naines blanches sont généralement incroyablement stables pendant de très longues périodes et très peu susceptibles d’exploser. Cependant, il existe des exceptions à cette règle.
Une étoile naine blanche pourrait commencer à “aspirer” la matière d’une autre étoile dans un système binaire. On peut dire que l’étoile naine blanche “mange” l’étoile qui l’accompagne. Finalement, la naine blanche devient si lourde, si chaude et si instable qu’elle explose en supernova Ia.
La fusion nucléaire pendant l’explosion de la supernova Ia devrait créer des modèles de concentration d’éléments très inhabituels, comme le prévoient les modèles théoriques scientifiques reconnus.
De plus, l’étoile naine blanche qui explose dans une supernova Ia n’est pas seulement réduite en morceaux, mais littéralement réduite en atomes. La matière de la supernova Ia est envoyée dans l’espace sous forme d’atomes de gaz.
Lors d’une recherche documentaire approfondie des données sur les étoiles et des résultats des modèles, l’équipe n’a pu identifier aucune correspondance chimique similaire ou meilleure pour la pierre d’Hypatie qu’un ensemble spécifique de modèles de supernova Ia.
Preuve des éléments médico-légaux
“Toutes les données et les modèles théoriques de supernova Ia montrent des proportions de fer par rapport au silicium et au calcium beaucoup plus élevées que les modèles de supernova II”, dit Kramers.
“A cet égard, les données du laboratoire à faisceau de protons sur Hypatie correspondent aux données et aux modèles de supernova Ia”.
Au total, huit des 15 éléments analysés sont conformes aux fourchettes prédites de proportions par rapport au fer. Il s’agit des éléments suivants : silicium, soufre, calcium, titane, vanadium, chrome, manganèse, fer et nickel.
Cependant, les 15 éléments analysés dans Hypatia ne correspondent pas tous aux prédictions. Dans six des 15 éléments, les proportions étaient entre 10 et 100 fois plus élevées que les plages prédites par les modèles théoriques pour les supernovas de type 1A. Il s’agit des éléments suivants : aluminium, phosphore, chlore, potassium, cuivre et zinc.
“Comme une étoile naine blanche est formée à partir d’une géante rouge mourante, Hypatie pourrait avoir 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, la pierre d’Hypatie serait la première preuve tangible sur Terre d’une explosion de supernova de type Ia, l’un des événements les plus énergétiques de l’univers.
La pierre d’Hypatie serait un indice d’une histoire cosmique commencée au début de la formation de notre système solaire, et serait retrouvée de nombreuses années plus tard dans un désert éloigné, parsemé d’autres cailloux.
Référence : “La chimie de la pierre carbonée extraterrestre “Hypatia” : A perspective on dust heterogeneity in interstellar space” par Jan D. Kramers, Georgy A. Belyanin, Wojciech J. Przybylowicz, Hartmut Winkler et Marco A. G. Andreoli, 22 avril 2022, Icare.
DOI: 10.1016/j.icarus.2022.115043
