Камень под названием Гипатия, найденный в египетской пустыне, может быть первым вещественным свидетельством взрыва сверхновой типа Ia, обнаруженным на Земле. Эти редкие сверхновые относятся к числу самых энергичных событий во Вселенной.
В 1996 году в пустыне на юго-западе Египта был найден необычный метеорит. Камень был назван в честь Гипатии Александрийской — античной исследовательницы, занимавшейся философией, математикой и астрономией. Первые анализы этого метеорита весом около 30 граммов удивили исследователей, поскольку состав камня не был похож ни на один из известных метеоритов. Ученые обнаружили многочисленные аномалии в изотопном составе инертных газов, азота и углерода. Кроме того, наличие и распределение различных элементов и их пропорции свидетельствовали об уникальной находке.
Научное исследование, проведенное учеными из Йоханнесбургского университета, обнаружило необычные химические признаки в небольшом кусочке космического камня, которые указывают на его происхождение. Исследователи объединили информацию и пришли к выводу, что Гипатия содержала фрагменты облака пыли и газа от сверхновой типа Ia в далеком прошлом. Ученые говорят, что за миллиарды лет эта смесь пыли и газа превратилась в твердое тело, в конечном итоге создав родительский объект, из которого произошла Гипатия.
Гипатия
Сценарий, предложенный учеными в публикации, появившейся на страницах журнала «Icarus» (DOI: 10.1016/j.icarus.2022.115043), начинается со звезды — красного гиганта, который после прекращения ядерных реакций коллапсировал в белый карлик. Это событие произошло в туманности — гигантском облаке пыли. Белый карлик оказался в двойной системе со второй звездой, у которой воровал материю. В результате он набрал такую массу, что взорвался сверхновой типа Ia.
Сверхновые типа Ia являются наиболее энергичными из всех известных нам типов сверхновых. Они характеризуются тем, что в их спектре нет линий водорода и гелия, а есть сильная линия кремния. Атомы газа, образовавшиеся после взрыва, со временем остыли и стали прилипать к частицам пылевого облака.
Сценарий исследователей предполагает, что образовавшийся «пузырь» из смеси газа и пыли никогда не взаимодействовал с другими пылевыми облаками. Прошли миллионы лет, и, наконец, газопылевое облако начало формировать такие объекты, как родительская структура Гипатии. В какой-то момент эта материнская порода начала устремляться к Земле, где в конце концов раскололась. Ученые предполагают, что камень, найденный в пустыне, должен быть одним из многих фрагментов исходного объекта.
«Можно сказать, что мы как бы «поймали» сверхновую Ia «живой», потому что атомы газа от взрыва оказались в ловушке в облаке пыли, которое в конечном итоге сформировало материнское тело Гипатии», — говорит Ян Крамерс из Йоханнесбургского университета.
«Если эта гипотеза верна, камень Гипатии станет первым вещественным доказательством существования сверхновой типа Ia, найденным на Земле», — добавляет он.
Ученые считают, что этот процесс происходил миллиарды лет назад в туманности, давшей начало нашей планетной системе. «Наши результаты противоречат общепринятому представлению о том, что пыль, из которой образовалась наша Солнечная система, была тщательно перемешана», — говорит Крамерс.
Научное исследование
Приведенный выше сценарий не является результатом яркого воображения южноафриканских астрономов. Он был создан благодаря выводам исследования космической породы с использованием различных аналитических методик.
В 2013 году исследование изотопов аргона, входящих в состав Гипатии, показало, что порода образовалась не на Земле. Исследование изотопов благородных газов, проведенное в 2015 году, показало, что они могут быть не из какого-либо известного типа метеорита или кометы.
В 2018 году группа польских ученых опубликовала различные анализы, в том числе открытие минерала, фосфида никеля, ранее не встречавшегося ни в одном объекте в нашей Солнечной системе, что привело к выводу, что родительский объект Гипатии произошел из туманности старше Солнечной системы.
В поисках закономерности
На этом этапе Гипатию оказалось трудно анализировать дальше. Ученым требовалось более мощное оборудование, которое не разрушило бы крохотный образец и позволило бы проводить дальнейшие открытия. Они использовали метод micro-PIXE (рентгеновское излучение, индуцированное частицами). «Вместо того, чтобы исследовать все удивительные аномалии, которые представляет Гипатия, мы хотели увидеть, есть ли в камне какая-либо последовательная химическая формула», — говорит Крамерс.
Благодаря методу micro-PIXE, который является очень чувствительным методом и включает в себя возбуждение рентгеновских лучей с помощью протонного пучка, ученые получили дополнительные данные для анализа. Это метод, который не разрушает анализируемый образец. В настоящее время он регулярно используется геологами, археологами, реставраторами произведений искусства и другими исследователями, чтобы помочь ответить на вопросы о происхождении, возрасте и подлинности материала.
«Мы идентифицировали 15 различных элементов в Гипатии с гораздо большей точностью и аккуратностью. Это дало нам необходимые «ингредиенты», и можно было начинать следующий процесс анализа всех данных», — говорит доктор Георгий Белянин.
Загадка
Первой важной подсказкой, полученной с помощью этого метода, был удивительно низкий уровень кремния в Гипатии. Кремний, наряду с хромом и марганцем, составлял менее 1 процента. Кроме того, его интересовал высокий уровень железа, серы, фосфора, меди и ванадия.
«Мы обнаружили последовательную структуру элементов, которая полностью отличается от всего остального в Солнечной системе. Объекты в поясе астероидов и метеоры тоже не совпадают. Поэтому мы заглянули за пределы Солнечной системы», — говорит Крамерс.
Исследователи сравнили полученную картину концентрации элементов в Гипатии с тем, что можно ожидать в межзвездной пыли в нашем рукаве галактики Млечный Путь. «Мы проверили, соответствует ли картина, которую мы получаем от средней межзвездной пыли в нашем рукаве Млечного Пути, тому, что мы видим в Гипатии. Опять же, никакого сходства не было», — признается Крамерс.
В результате ученые исключили четыре возможных происхождения Гипатии. Космическая порода не образовалась на Земле, не была частью какой-либо известной кометы или метеорита, не образовалась из пыли в Солнечной системе или из межзвездной пыли.
Сверхновые
Следующим простейшим возможным объяснением концентрации элементов в Гипатии может быть красный гигант. Красные гиганты распространены во Вселенной. Но Гипатия содержит слишком много железа, слишком мало кремния и слишком низкую концентрацию тяжелых элементов, тяжелее железа, что также исключает наличие красных гигантов.
Еще одним подозреваемым, которого следует рассмотреть, была сверхновая типа II. Эти типы сверхновых «выплевывают» много железа. Они также являются относительно распространенным типом сверхновых. Но опять же, данные, полученные в результате исследования, исключили и этого подозреваемого. Маловероятно, что сверхновая типа II могла быть источником странных минералов, таких как фосфид никеля, присутствующих в метеорите. В Гипатии также было слишком много железа по сравнению с кремнием и кальцием.
Исследуя происхождение космической породы, ученым остается лишь проверить, не возникала ли Гипатия иногда в одном из самых энергичных взрывов во Вселенной — сверхновой типа Ia. Это редкий тип космического взрыва. Это случается, по оценкам ученых, только один или два раза в столетие. Этот тип сверхновых производит огромное количество железа, и исследователи указывают, что большая часть этого элемента во Вселенной исходит от таких сверхновых.
Сверхновая типа Ia
Некоторые сверхновые типа Ia оставляют очень характерные подсказки.
В конце жизни красный гигант превращается в белого карлика. Эти звезды обычно стабильны в течение очень длительного времени и вряд ли взорвутся. Однако есть исключения. Белый карлик может начать собирать материал со своей звезды-компаньона в двойной системе. Можно сказать, что белый карлик «съедает» своего спутника. В конце концов он становится настолько тяжелым, горячим и нестабильным, что взрывается сверхновой типа Ia.
Как предсказывают принятые теоретические модели, во время взрыва сверхновой Ia должны развиваться нетипичные закономерности концентрации элементов. Более того, белый карлик, который взорвется сверхновой Ia, не просто разрывается на части, он, как говорят авторы, разрывается на атомы. Вещество сверхновой Ia «выбрасывается» в космос в виде атомов газа.
Изучив научную литературу, исследователи пришли к выводу, что это лучшее совпадение, которое они смогли найти. «Все данные и теоретические модели для сверхновой Ia показывают гораздо более высокую долю железа по сравнению с кремнием и кальцием, чем модели сверхновых II типа. В этом отношении данные, полученные в результате исследований Гипатии, совпадают с данными и моделями для сверхновой Ia», - говорит Крамерс.
Всего 8 из 15 проанализированных элементов соответствуют предсказанным диапазонам пропорций. Однако не все проанализированные элементы в Гипатии соответствуют предсказаниям. В шести из них пропорции были в 10–100 раз выше, чем диапазоны, предсказываемые теоретическими моделями сверхновых типа Ia. «Поскольку белый карлик возникает из умирающего красного гиганта, Гипатия, возможно, унаследовала эти соотношения элементов для шести из 15 проанализированных. Это явление наблюдалось с белыми карликами в других исследованиях», - добавляет Крамерс.