Piedra extraterrestre trae las primeras pistas de supernova a la Tierra


Nuevos «análisis forenses» de química indican que la piedra llamada Hypatia del desierto egipcio podría ser la primera evidencia tangible encontrada en la Tierra de una explosión de supernova tipo Ia. Estas raras supernovas son algunos de los eventos más energéticos del universo.

Esta es la conclusión de un nuevo estudio publicado en la revista Icarus, por Jan Kramers, Georgy Belyanin y Hartmut Winkler de la Universidad de Johannesburgo, entre otros.

Una muestra de 3 gramos de la piedra Hipatia. Los investigadores encontraron un patrón consistente de 15 elementos en la piedra Hipatia. El patrón es completamente diferente a cualquier cosa en nuestro sistema solar o nuestro vecindario solar, en la Vía Láctea. Crédito: Romano Serra

Desde 2013, Belyanin y Kramers han estado descubriendo una serie de pistas químicas muy inusuales en un pequeño fragmento de la Piedra Hipatia. En su nueva investigación, eliminan a los «sospechosos cósmicos» del origen de la piedra en un proceso minucioso. Han ensamblado una línea de tiempo que se remonta a las primeras etapas de la formación de la Tierra, nuestro sol y los otros planetas de nuestro sistema solar.

Una línea de tiempo cósmica

Su hipótesis sobre el origen de Hypatia comienza con una estrella: una estrella gigante roja colapsó en una estrella enana blanca. El colapso habría ocurrido dentro de una gigantesca nube de polvo, también llamada nebulosa.

Esa enana blanca se encontró en un sistema binario con una segunda estrella. La estrella enana blanca finalmente «se comió» a la otra estrella. En algún momento, la enana blanca «hambrienta» explotó como una supernova tipo Ia dentro de la nube de polvo.

Después de enfriarse, los átomos de gas que quedaron de la supernova Ia comenzaron a adherirse a las partículas de la nube de polvo.

«En cierto sentido, podríamos decir que hemos ‘atrapado’ una explosión de supernova Ia ‘en el acto’, porque los átomos de gas de la explosión quedaron atrapados en la nube de polvo circundante, que eventualmente formó el cuerpo principal de Hypatia», dice Kramers.

Una enorme «burbuja» de esta mezcla de polvo y átomos de gas de supernova nunca interactuó con otras nubes de polvo.

Pasarían millones de años y, finalmente, la «burbuja» se volvería sólida lentamente, en una especie de «conejito de polvo cósmico». El «cuerpo padre» de Hipatia se convertiría en una roca sólida en algún momento de las primeras etapas de formación de nuestro sistema solar.

Este proceso probablemente ocurrió en una parte exterior fría y sin incidentes de nuestro sistema solar, en la nube de Oort o en el cinturón de Kuiper.

En algún momento, la roca madre de Hypatia comenzó a precipitarse hacia la Tierra. El calor de entrada en la atmósfera terrestre, combinado con la presión del impacto en el Gran Mar de Arena en el suroeste de Egipto, creó micro-diamantes y destrozó la roca madre.

La piedra de Hipatia recogida en el desierto debe ser uno de los muchos fragmentos del impactador original.

«Si esta hipótesis es correcta, la piedra Hypatia sería la primera evidencia tangible en la Tierra de una explosión de supernova tipo Ia. Tal vez igualmente importante, muestra que una ‘parcela’ anómala individual de polvo del espacio exterior podría incorporarse en la energía solar». nebulosa a partir de la cual se formó nuestro sistema solar, sin mezclarse por completo», dice Kramers.

«Esto va en contra de la visión convencional de que el polvo del que se formó nuestro sistema solar estaba completamente mezclado».

Tres millones de voltios para una pequeña muestra

Para reconstruir la línea de tiempo de cómo se pudo haber formado Hipatia, los investigadores utilizaron varias técnicas para analizar la extraña piedra.

En 2013, un estudio de los isótopos de argón mostró que la roca no se formó en la Tierra. Tenía que ser extraterrestre. Un estudio de 2015 de gases nobles en el fragmento indicó que puede no ser de ningún tipo conocido de meteorito o cometa.

Las diminutas muestras de la piedra extraterrestre Hypatia junto a una pequeña moneda. Las raras supernovas de tipo Ia son algunos de los eventos más energéticos del universo. Los investigadores encontraron un patrón consistente de 15 elementos en la piedra Hipatia. El patrón es completamente diferente a cualquier cosa en nuestro sistema solar o nuestro vecindario solar, la Vía Láctea. El profesor Jan Kramers (Universidad de Johannesburgo) es el autor principal. Crédito: Jan Kramers

En 2018, el equipo de la UJ publicó varios análisis, que incluían el descubrimiento de un mineral, el fosfuro de níquel, que no se había encontrado previamente en ningún objeto de nuestro sistema solar.

En ese momento Hipatia estaba resultando difícil de analizar más a fondo. Los metales traza que estaban buscando Kramers y Belyanin, realmente no podían ser «vistos en detalle» con el equipo que tenían. Necesitaban un instrumento más poderoso que no destruyera la pequeña muestra.

Kramers comenzó a analizar un conjunto de datos que Belyanin había creado unos años antes.

En 2015, Belyanin había realizado una serie de análisis en un haz de protones en los laboratorios iThemba en Somerset West. En ese momento, el Dr. Wojciech Przybylowicz mantuvo la máquina de tres millones de voltios tarareando.

En busca de un patrón

«En lugar de explorar todas las increíbles anomalías que presenta Hypatia, queríamos explorar si existe una unidad subyacente. Queríamos ver si hay algún tipo de patrón químico consistente en la piedra», dice Kramers.

Belyanin seleccionó cuidadosamente 17 objetivos en la pequeña muestra para su análisis. Todos fueron elegidos para estar bien alejados de los minerales terrestres que se habían formado en las grietas de la roca original tras su impacto en el desierto.

«Identificamos 15 elementos diferentes en Hypatia con mucha mayor precisión y exactitud, con la microsonda de protones. Esto nos dio los ‘ingredientes’ químicos que necesitábamos, para que Jan pudiera comenzar el siguiente proceso de análisis de todos los datos», dice Belyanin.

El haz de protones también descarta el sistema solar

La primera gran pista nueva de los análisis del haz de protones fue el nivel sorprendentemente bajo de silicio en los objetivos de piedra de Hypatia. El silicio, junto con el cromo y el manganeso, eran menos del 1% de lo esperado para algo formado dentro de nuestro sistema solar interior.

Además, el alto contenido de hierro, el alto contenido de azufre, el alto contenido de fósforo, el alto contenido de cobre y el alto contenido de vanadio fueron notorios y anómalos, agrega Kramers.

«Encontramos un patrón consistente de abundancia de oligoelementos que es completamente diferente de cualquier cosa en el sistema solar, primitivo o evolucionado. Los objetos en el cinturón de asteroides y los meteoritos tampoco coinciden. Así que a continuación buscamos fuera del sistema solar», dice. Kramers.

no de nuestro barrio

Luego, Kramers comparó el patrón de concentración de elementos de Hypatia con lo que uno esperaría ver en el polvo entre las estrellas de nuestro brazo solar de la Vía Láctea.

«Buscamos ver si el patrón que obtenemos del polvo interestelar promedio en nuestro brazo de la Vía Láctea se ajusta a lo que vemos en Hipatia. Una vez más, no hubo ninguna similitud en absoluto», agrega Kramers.

En este punto, los datos del haz de protones también habían descartado cuatro «sospechosos» de dónde podría haberse formado Hypatia.

Hypatia no se formó en la Tierra, no formó parte de ningún tipo conocido de cometa o meteorito, no se formó a partir del polvo promedio del sistema solar interior, y tampoco del polvo interestelar promedio.

No es una gigante roja

La siguiente explicación más simple posible para el patrón de concentración de elementos en Hypatia sería una estrella gigante roja. Las estrellas gigantes rojas son comunes en el universo.

Pero los datos del haz de protones también descartaron la salida de masa de una estrella gigante roja: Hypatia tenía demasiado hierro, muy poco silicio y concentraciones demasiado bajas de elementos pesados ​​más pesados ​​que el hierro.

Ni una supernova tipo II

El siguiente «sospechoso» a considerar fue una supernova tipo II. Las supernovas de tipo II cocinan mucho hierro. También son un tipo relativamente común de supernova.

Una vez más, los datos del haz de protones de Hypatia descartaron a un sospechoso prometedor con «química forense». Una supernova tipo II era muy poco probable como fuente de minerales extraños como el fosfuro de níquel en el guijarro. También había demasiado hierro en Hipatia en comparación con el silicio y el calcio.

Era hora de examinar de cerca la química predicha de una de las explosiones más dramáticas del universo.

fábrica de metales pesados

Un tipo más raro de supernova también produce mucho hierro. Las supernovas del tipo Ia solo ocurren una o dos veces por galaxia por siglo. Pero fabrican la mayor parte del hierro (Fe) del universo. La mayor parte del acero en la tierra fue una vez el elemento hierro creado por Ia supernovas.

Además, la ciencia establecida dice que algunas supernovas Ia dejan pistas de «química forense» muy distintivas. Esto se debe a la forma en que se configuran algunas supernovas Ia.

Primero, una estrella gigante roja al final de su vida colapsa en una estrella enana blanca muy densa. Las estrellas enanas blancas suelen ser increíblemente estables durante períodos muy largos y es muy poco probable que exploten. Sin embargo, hay excepciones a esto.

Una estrella enana blanca podría comenzar a «arrancar» materia de otra estrella en un sistema binario. Se puede decir que la estrella enana blanca «se come» a su estrella compañera. Eventualmente, la enana blanca se vuelve tan pesada, caliente e inestable que explota en una supernova Ia.

La fusión nuclear durante la explosión de la supernova Ia debería crear patrones de concentración de elementos muy inusuales, según predicen los modelos teóricos científicos aceptados.

Además, la estrella enana blanca que explota en una supernova Ia no solo se hace pedazos, sino que literalmente se convierte en átomos. La supernova Ia materia se lanza al espacio en forma de átomos de gas.

En una extensa búsqueda bibliográfica de datos de estrellas y resultados de modelos, el equipo no pudo identificar ningún ajuste químico similar o mejor para la piedra Hypatia que un conjunto específico de modelos de supernova Ia.

Evidencia de elementos forenses

«Todos los datos de supernova Ia y los modelos teóricos muestran proporciones mucho más altas de hierro en comparación con el silicio y el calcio que los modelos de supernova II», dice Kramers.

«En este sentido, los datos del laboratorio del haz de protones en Hypatia se ajustan a los datos y modelos de la supernova Ia».

En total, 8 de los 15 elementos analizados se ajustan a los rangos de proporciones previstos en relación con el hierro. Esos son los elementos silicio, azufre, calcio, titanio, vanadio, cromo, manganeso, hierro y níquel.

Sin embargo, no todos los 15 elementos analizados en Hipatia se ajustan a las predicciones. En seis de los 15 elementos, las proporciones fueron entre 10 y 100 veces superiores a los rangos predichos por los modelos teóricos para supernovas de tipo 1A. Estos son los elementos aluminio, fósforo, cloro, potasio, cobre y zinc.

«Dado que una estrella enana blanca se forma a partir de una gigante roja moribunda, Hypatia podría haber heredado estas proporciones de los seis elementos de una estrella gigante roja. Este fenómeno se ha observado en estrellas enanas blancas en otras investigaciones», agrega Kramers.

De ser correcta esta hipótesis, la piedra Hypatia sería la primera evidencia tangible en la Tierra de una explosión de supernova tipo Ia, uno de los eventos más energéticos del universo.

La piedra Hypatia sería una pista de una historia cósmica que comenzó durante la formación temprana de nuestro sistema solar, solo para ser encontrada muchos años después en un desierto remoto sembrado de otros guijarros.

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