Außerirdischer Stein bringt erste Supernova-Hinweise zur Erde

Neue chemische „Forensik“ deutet darauf hin, dass der Stein namens Hypatia aus der ägyptischen Wüste der erste greifbare Beweis für eine Supernova-Typ-Ia-Explosion auf der Erde sein könnte. Diese seltenen Supernovae gehören zu den energiereichsten Ereignissen im Universum.

Zu diesem Schluss kommt eine neue Studie, die in der Fachzeitschrift veröffentlicht wurde Ikarusvon Jan Kramers, Georgy Belyanin und Hartmut Winkler von der University of Johannesburg und anderen.

Seit 2013 haben Belyanin und Kramers eine Reihe höchst ungewöhnlicher chemischer Hinweise in einem kleinen Fragment des Hypatia-Steins entdeckt. In ihrer neuen Forschung eliminieren sie in einem mühevollen Verfahren „kosmische Verdächtige“ für die Herkunft des Steins. Sie haben eine Zeitachse zusammengestellt, die bis in die frühen Stadien der Entstehung der Erde, unserer Sonne und der anderen Planeten in unserem Sonnensystem zurückreicht.

Eine kosmische Zeitlinie

Ihre Hypothese über Hypatias Ursprung beginnt mit einem Stern: Ein roter Riesenstern kollabierte zu einem weißen Zwergstern. Der Kollaps hätte in einer gigantischen Staubwolke, auch Nebel genannt, stattgefunden.

Dieser Weiße Zwerg befand sich in einem Doppelsternsystem mit einem zweiten Stern. Der weiße Zwergstern „aß“ schließlich den anderen Stern. Irgendwann explodierte der „hungrige“ Weiße Zwerg als Supernova Typ Ia in der Staubwolke.

Nach dem Abkühlen begannen die verbliebenen Gasatome der Supernova Ia an den Partikeln der Staubwolke zu haften.

„In gewisser Weise könnten wir sagen, dass wir eine Supernova-Ia-Explosion ‚auf frischer Tat‘ ‚erwischt‘ haben, weil die Gasatome der Explosion in der umgebenden Staubwolke eingefangen wurden, die schließlich den Mutterkörper von Hypatia bildete“, sagt Kramers.

Eine riesige „Blase“ dieser Supernova-Mischung aus Staub und Gasatomen interagierte nie mit anderen Staubwolken.

Millionen von Jahren würden vergehen, und schließlich würde die „Blase“ langsam fest werden, auf eine Art „kosmischer Staubhase“. Hypatias „Elternkörper“ würde irgendwann in den frühen Stadien der Entstehung unseres Sonnensystems zu einem festen Felsen werden.

Dieser Prozess fand wahrscheinlich in einem kalten, ereignislosen äußeren Teil unseres Sonnensystems statt – in der Oortschen Wolke oder im Kuipergürtel.

Irgendwann begann Hypatias Muttergestein in Richtung Erde zu rasen. Die Hitze beim Eintritt in die Erdatmosphäre, kombiniert mit dem Aufpralldruck im Großen Sandmeer im Südwesten Ägyptens, erzeugte Mikrodiamanten und zerschmetterte das Muttergestein.

Der in der Wüste gefundene Hypatia-Stein muss eines von vielen Fragmenten des ursprünglichen Impaktors sein.

„Wenn diese Hypothese zutrifft, wäre der Hypatia-Stein der erste greifbare Beweis für eine Supernova-Typ-Ia-Explosion auf der Erde. Vielleicht ebenso wichtig ist, dass er zeigt, dass ein einzelnes anomales ‚Staubpaket‘ aus dem Weltraum tatsächlich in die Sonne eingebaut werden könnte Nebel, aus dem unser Sonnensystem entstanden ist, ohne vollständig eingemischt zu sein“, sagt Kramers.

„Das widerspricht der gängigen Ansicht, dass Staub, aus dem unser Sonnensystem entstanden ist, gründlich vermischt wurde.“

Drei Millionen Volt für eine winzige Probe

Um die Zeitleiste zusammenzusetzen, wie sich Hypatia möglicherweise gebildet hat, verwendeten die Forscher verschiedene Techniken, um den seltsamen Stein zu analysieren.

Im Jahr 2013 zeigte eine Untersuchung der Argonisotope, dass das Gestein nicht auf der Erde entstanden ist. Es musste außerirdisch sein. Eine Studie von 2015 über Edelgase in dem Fragment zeigte, dass es möglicherweise nicht von einem bekannten Meteoriten- oder Kometentyp stammt.

Im Jahr 2018 veröffentlichte das UJ-Team verschiedene Analysen, darunter die Entdeckung eines Minerals, Nickelphosphid, das zuvor in keinem Objekt in unserem Sonnensystem gefunden wurde.

Zu diesem Zeitpunkt erwies sich Hypatia als schwierig weiter zu analysieren. Die Spurenmetalle, nach denen Kramers und Belyanin suchten, konnten mit ihrer Ausrüstung nicht wirklich „im Detail gesehen“ werden. Sie brauchten ein leistungsfähigeres Instrument, das die winzige Probe nicht zerstörte.

Kramers begann mit der Analyse eines Datensatzes, den Belyanin einige Jahre zuvor erstellt hatte.

2015 hatte Belyanin in den iThemba Labs in Somerset West eine Reihe von Analysen mit einem Protonenstrahl durchgeführt. Damals hielt Dr. Wojciech Przybylowicz die Drei-Millionen-Volt-Maschine am Laufen.

Auf der Suche nach einem Muster

„Anstatt all die unglaublichen Anomalien zu erkunden, die Hypatia präsentiert, wollten wir erforschen, ob es eine zugrunde liegende Einheit gibt. Wir wollten sehen, ob es eine Art konsistentes chemisches Muster im Stein gibt“, sagt Kramers.

Belyanin wählte sorgfältig 17 Ziele auf der winzigen Probe für die Analyse aus. Alle wurden so ausgewählt, dass sie weit entfernt von den irdischen Mineralien sind, die sich in den Rissen des ursprünglichen Gesteins nach seinem Einschlag in der Wüste gebildet hatten.

„Mit der Protonenmikrosonde haben wir 15 verschiedene Elemente in Hypatia mit viel größerer Präzision und Genauigkeit identifiziert. Dies gab uns die chemischen ‚Zutaten‘, die wir brauchten, sodass Jan mit dem nächsten Prozess der Analyse aller Daten beginnen konnte“, sagt Belyanin.

Protonenstrahl schließt auch Sonnensystem aus

Der erste große neue Hinweis aus den Protonenstrahlanalysen war der überraschend niedrige Siliziumgehalt in den Hypatia-Steinzielen. Das Silizium, zusammen mit Chrom und Mangan, waren weniger als 1% zu erwarten für etwas, das in unserem inneren Sonnensystem gebildet wurde.

Außerdem seien hohe Eisen-, Schwefel-, Phosphor-, Kupfer- und Vanadiumwerte auffällig und anomal gewesen, fügt Kramers hinzu.

„Wir fanden ein konsistentes Muster von Spurenelementhäufigkeiten, das sich völlig von allem im Sonnensystem unterscheidet, sei es primitiv oder entwickelt. Objekte im Asteroidengürtel und Meteore passen auch nicht dazu. Also haben wir als nächstes außerhalb des Sonnensystems nachgesehen“, sagt sie Kramer.

Nicht aus unserer Nachbarschaft

Dann verglich Kramers das Hypatia-Elementkonzentrationsmuster mit dem, was man im Staub zwischen Sternen in unserem Sonnenarm der Milchstraße erwarten würde.

„Wir haben nachgesehen, ob das Muster, das wir von durchschnittlichem interstellarem Staub in unserem Arm der Milchstraße erhalten, zu dem passt, was wir in Hypatia sehen. Auch hier gab es überhaupt keine Ähnlichkeit“, fügt Kramers hinzu.

Zu diesem Zeitpunkt hatten die Protonenstrahldaten auch vier „Verdächtige“ ausgeschlossen, wo sich Hypatia gebildet haben könnte.

Hypatia ist nicht auf der Erde entstanden, war nicht Teil eines bekannten Kometen- oder Meteoritentyps, hat sich nicht aus durchschnittlichem Staub im Inneren des Sonnensystems gebildet und auch nicht aus durchschnittlichem interstellarem Staub.

Kein roter Riese

Die nächst einfachste mögliche Erklärung für das Muster der Elementkonzentration in Hypatia wäre ein roter Riesenstern. Rote Riesensterne sind im Universum weit verbreitet.

Aber die Protonenstrahldaten schlossen auch einen Massenabfluss von einem roten Riesenstern aus: Hypatia hatte zu viel Eisen, zu wenig Silizium und zu geringe Konzentrationen schwerer Elemente, die schwerer als Eisen waren.

Auch keine Supernova Typ II

Der nächste „Verdächtige“, der in Betracht gezogen werden sollte, war eine Supernova Typ II. Supernovae vom Typ II kochen viel Eisen. Sie sind auch eine relativ häufige Art von Supernova.

Auch hier schlossen die Protonenstrahldaten für Hypatia einen vielversprechenden Verdächtigen mit „Chemie-Forensik“ aus. Eine Supernova Typ II war höchst unwahrscheinlich als Quelle für seltsame Mineralien wie Nickelphosphid im Kiesel. Es gab auch zu viel Eisen in Hypatia im Vergleich zu Silizium und Kalzium.

Es war an der Zeit, die vorhergesagte Chemie einer der dramatischsten Explosionen im Universum genau zu untersuchen.

Schwermetallfabrik

Eine seltenere Art von Supernova macht auch viel Eisen. Supernovae vom Typ Ia treten nur ein- oder zweimal pro Galaxie pro Jahrhundert auf. Aber sie produzieren das meiste Eisen (Fe) im Universum. Der größte Teil des Stahls auf der Erde war einst das Element Eisen, das durch Ia-Supernovas erzeugt wurde.

Außerdem sagt die etablierte Wissenschaft, dass einige Ia-Supernovas sehr charakteristische Hinweise der „forensischen Chemie“ hinterlassen. Dies liegt an der Art und Weise, wie einige Ia-Supernovas aufgebaut sind.

Erstens kollabiert ein roter Riesenstern am Ende seines Lebens zu einem sehr dichten weißen Zwergstern. Weiße Zwergsterne sind normalerweise über sehr lange Zeiträume unglaublich stabil und es ist sehr unwahrscheinlich, dass sie explodieren. Allerdings gibt es hiervon Ausnahmen.

Ein weißer Zwergstern könnte beginnen, Materie von einem anderen Stern in einem Doppelsternsystem „abzuziehen“. Man kann sagen, dass der Weiße Zwergstern seinen Begleitstern „auffrisst“. Schließlich wird der Weiße Zwerg so schwer, heiß und instabil, dass er in einer Supernova Ia explodiert.

Die Kernfusion während der Supernova-Ia-Explosion sollte hochgradig ungewöhnliche Elementkonzentrationsmuster erzeugen, sagen anerkannte wissenschaftliche theoretische Modelle voraus.

Auch der weiße Zwergstern, der in einer Supernova Ia explodiert, wird nicht nur in Stücke gesprengt, sondern buchstäblich in Atome gesprengt. Die Materie der Supernova Ia wird als Gasatome ins All befördert.

In einer umfangreichen Literaturrecherche von Sterndaten und Modellergebnissen konnte das Team keine ähnliche oder bessere chemische Übereinstimmung für den Hypatia-Stein als einen bestimmten Satz von Supernova-Ia-Modellen identifizieren.

Beweise für forensische Elemente

„Alle Supernova-Ia-Daten und theoretischen Modelle zeigen viel höhere Eisenanteile im Vergleich zu Silizium und Kalzium als Supernova-II-Modelle“, sagt Kramers.

„Insofern passen die Protonenstrahl-Labordaten von Hypatia zu den Daten und Modellen der Supernova Ia.“

Insgesamt entsprechen 8 der 15 analysierten Elemente den vorhergesagten Anteilsbereichen relativ zu Eisen. Das sind die Elemente Silizium, Schwefel, Calcium, Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen und Nickel.

Allerdings passen nicht alle 15 analysierten Elemente in Hypatia zu den Vorhersagen. Bei sechs der 15 Elemente waren die Anteile zwischen 10- und 100-mal höher als die Bereiche, die von theoretischen Modellen für Supernovae vom Typ 1A vorhergesagt wurden. Das sind die Elemente Aluminium, Phosphor, Chlor, Kalium, Kupfer und Zink.

„Da ein Weißer Zwergstern aus einem sterbenden Roten Riesen entsteht, könnte Hypatia diese Elementverhältnisse für die sechs Elemente von einem Roten Riesenstern geerbt haben. Dieses Phänomen wurde in anderen Forschungen bei Weißen Zwergsternen beobachtet“, fügt Kramers hinzu.

Wenn diese Hypothese zutrifft, wäre der Hypatia-Stein der erste greifbare Beweis auf der Erde für eine Supernova-Explosion vom Typ Ia, eines der energiereichsten Ereignisse im Universum.

Der Hypatia-Stein wäre ein Hinweis auf eine kosmische Geschichte, die während der frühen Entstehung unseres Sonnensystems begann, nur um viele Jahre später in einer abgelegenen Wüste gefunden zu werden, die mit anderen Kieselsteinen übersät ist.

Bereitgestellt von der Universität Johannesburg