De nouvelles « forensics » chimiques indiquent que la pierre nommée Hypatie du désert égyptien pourrait être la première preuve tangible trouvée sur Terre d’une explosion de supernova de type Ia. Ces supernovas rares comptent parmi les événements les plus énergétiques de l’univers.
C’est la conclusion d’une nouvelle étude publiée dans la revue Icarepar Jan Kramers, Georgy Belyanin et Hartmut Winkler de l’Université de Johannesburg, et d’autres.
Depuis 2013, Belyanin et Kramers ont découvert une série d’indices chimiques très inhabituels dans un petit fragment de la pierre d’Hypatie. Dans leurs nouvelles recherches, ils éliminent les « suspects cosmiques » pour l’origine de la pierre dans un processus minutieux. Ils ont reconstitué une chronologie remontant aux premières étapes de la formation de la Terre, de notre soleil et des autres planètes de notre système solaire.
Une chronologie cosmique
Leur hypothèse sur l’origine d’Hypatia commence par une étoile : une étoile géante rouge s’est effondrée en une étoile naine blanche. L’effondrement se serait produit à l’intérieur d’un gigantesque nuage de poussière, également appelé nébuleuse.
Cette naine blanche s’est retrouvée dans un système binaire avec une deuxième étoile. L’étoile naine blanche finit par « manger » l’autre étoile. À un moment donné, la naine blanche « affamée » a explosé en supernova de type Ia à l’intérieur du nuage de poussière.
Après refroidissement, les atomes de gaz qui restaient de la supernova Ia ont commencé à se coller aux particules du nuage de poussière.
« Dans un sens, nous pourrions dire que nous avons » attrapé « une explosion de supernova Ia » sur le fait « , car les atomes de gaz de l’explosion ont été capturés dans le nuage de poussière environnant, qui a finalement formé le corps parent d’Hypatia », explique Kramers.
Une énorme « bulle » de ce mélange d’atomes de poussière et de gaz de supernova n’a jamais interagi avec d’autres nuages de poussière.
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 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. Le modèle est complètement différent de tout ce qui existe dans notre système solaire ou dans notre voisinage solaire de la Voie lactée. Mais la plupart des éléments correspondent au schéma des modèles de supernova de type Ia. Le professeur Jan Kramers (Université de Johannesburg) est l’auteur principal. Crédit : Thérèse van Wyk
Des millions d’années passeraient, et finalement la « bulle » deviendrait lentement solide, à la manière d’un « lapin de poussière cosmique ». Le « corps parent » d’Hypatie deviendrait une roche solide à un moment donné dans les premiers stades de la formation de notre système solaire.
Ce processus s’est probablement produit dans une partie extérieure froide et sans incident de notre système solaire, dans le nuage d’Oort ou dans la ceinture de Kuiper.
À un moment donné, la roche mère d’Hypatia a commencé à se précipiter vers la Terre. La chaleur de l’entrée dans l’atmosphère terrestre, combinée à la pression de l’impact dans la Grande Mer de Sable au sud-ouest de l’Égypte, a créé des micro-diamants et brisé la roche mère.
La pierre d’Hypatie ramassée dans le désert doit être l’un des nombreux fragments de l’impacteur d’origine.
« Si cette hypothèse est correcte, la pierre d’Hypatie serait la première preuve tangible sur Terre d’une explosion de supernova de type Ia. Peut-être tout aussi importante, elle montre qu’un « paquet » anormal individuel de poussière de l’espace pourrait en fait être incorporé dans l’énergie solaire. nébuleuse à partir de laquelle notre système solaire s’est formé, sans être complètement mélangée », explique Kramers.
« Cela va à l’encontre de l’opinion conventionnelle selon laquelle la poussière à partir de laquelle notre système solaire a été formé était complètement mélangée. »
Trois millions de volts pour un petit échantillon
Pour reconstituer la chronologie de la formation d’Hypatia, les chercheurs ont utilisé plusieurs techniques pour analyser l’étrange pierre.
En 2013, une étude des isotopes de l’argon a montré que la roche ne s’était pas formée sur terre. Il devait être extraterrestre. Une étude de 2015 sur les gaz rares dans le fragment a indiqué qu’il ne pouvait provenir d’aucun type connu de météorite ou de comète.
En 2018, l’équipe de l’UJ a publié diverses analyses, dont la découverte d’un minéral, le phosphure de nickel, qui ne se trouvait auparavant dans aucun objet de notre système solaire.
Diverses analyses de la pierre Hypatie en Égypte indiquent qu’elle ne s’est pas formée sur Terre ou à l’intérieur de notre système solaire. Une nouvelle étude montre qu’il a peut-être conservé un schéma 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 : Thérèse van Wyk
À ce stade, Hypatie s’avérait difficile à analyser davantage. Les métaux traces recherchés par Kramers et Belyanin ne pouvaient pas vraiment être « vus en détail » avec l’équipement dont ils disposaient. Ils avaient besoin d’un instrument plus puissant qui ne détruirait pas le minuscule échantillon.
Kramers a commencé à analyser un ensemble de données que Belyanin avait créé quelques années auparavant.
En 2015, Belyanin avait effectué une série d’analyses sur un faisceau de protons aux laboratoires iThemba à Somerset West. À l’époque, le Dr Wojciech Przybylowicz faisait tourner la machine de trois millions de volts.
A la recherche d’un modèle
« Plutôt que d’explorer toutes les anomalies incroyables que présente Hypatia, nous voulions explorer s’il y avait une unité sous-jacente. Nous voulions voir s’il y avait une sorte de modèle chimique cohérent dans la pierre », explique Kramers.
Belyanin a soigneusement sélectionné 17 cibles sur le petit échantillon pour analyse. Tous ont été choisis pour être bien éloignés des minéraux terrestres qui s’étaient formés dans les fissures de la roche d’origine après son impact dans le désert.
« Nous avons identifié 15 éléments différents dans Hypatia avec une précision et une exactitude beaucoup plus grandes, avec la microsonde à protons. Cela nous a donné les » ingrédients « chimiques dont nous avions besoin, afin que Jan puisse commencer le prochain processus d’analyse de toutes les données », explique Belyanin.
Le faisceau de protons exclut également le système solaire
Le premier grand nouvel indice des analyses du faisceau de protons était le niveau étonnamment bas de silicium dans les cibles en pierre d’Hypatie. Le silicium, ainsi que le chrome et le manganèse, étaient moins de 1% à prévoir pour quelque chose formé dans notre système solaire interne.
De plus, les teneurs élevées en fer, en soufre, en phosphore, en cuivre et en vanadium étaient évidentes et anormales, ajoute Kramers.
« Nous avons trouvé un modèle cohérent d’abondance d’oligo-éléments qui est complètement différent de tout ce qui se trouve dans le système solaire, primitif ou évolué. Les objets de la ceinture d’astéroïdes et les météores ne correspondent pas non plus à cela. Nous avons donc ensuite regardé à l’extérieur du système solaire », explique Kramers.
Pas de notre quartier
Ensuite, Kramers a comparé le schéma de concentration de l’élément Hypatia avec ce que l’on s’attendrait à voir dans la poussière entre les étoiles de notre bras solaire de la galaxie de la Voie lactée.
« Nous avons cherché à voir si le modèle que nous obtenons de la poussière interstellaire moyenne dans notre bras de la galaxie de la Voie lactée correspond à ce que nous voyons dans Hypatie. Encore une fois, il n’y avait aucune similitude », ajoute Kramers.
À ce stade, les données du faisceau de protons avaient également exclu quatre « suspects » de l’endroit où Hypatia aurait pu se former.
Hypatia ne s’est pas formée sur 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, ni à partir de la poussière interstellaire moyenne non plus.
Pas un géant rouge
La prochaine explication la plus simple possible pour le modèle de concentration d’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 également exclu la sortie de masse d’une étoile géante rouge : Hypatie avait trop de fer, trop peu de silicium et de trop faibles concentrations 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 cuisent beaucoup de fer. Il s’agit également d’un type relativement courant de supernova.
Encore une fois, les données du faisceau de protons pour Hypatia ont exclu un suspect prometteur avec une « chimie médico-légale ». Une supernova de type II était hautement improbable en tant que source de minéraux étranges comme le phosphure de nickel dans le caillou. Il y avait aussi trop de fer dans Hypatie par rapport au silicium et au calcium.
Il était temps d’examiner de près la chimie prédite de l’une des explosions les plus spectaculaires de l’univers.
Usine de métaux lourds
Un type plus rare de supernova produit également beaucoup de fer. Les supernovas de type Ia ne se produisent qu’une ou deux fois par galaxie et par siècle. Mais ils fabriquent la majeure partie du fer (Fe) dans l’univers. La majeure partie de l’acier sur terre était autrefois l’élément fer créé par les supernovas Ia.
En outre, la science établie indique que certaines supernovas Ia laissent derrière elles des indices de «chimie médico-légale» très distinctifs. Cela est dû à la façon dont certaines supernovas Ia sont configurées.
Premièrement, une étoile géante rouge en fin de vie s’effondre en une 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 cela.
Une étoile naine blanche pourrait commencer à « extraire » de la matière d’une autre étoile dans un système binaire. On peut dire que l’étoile naine blanche « mange » son étoile compagne. Finalement, la naine blanche devient si lourde, chaude et instable qu’elle explose en une supernova Ia.
La fusion nucléaire lors de l’explosion de la supernova Ia devrait créer des schémas de concentration d’éléments très inhabituels, prédisent des modèles théoriques scientifiques acceptés.
De plus, l’étoile naine blanche qui explose dans une supernova Ia n’est pas seulement réduite en miettes, mais littéralement réduite en atomes. La matière de la supernova Ia est envoyée dans l’espace sous forme d’atomes de gaz.
Dans une recherche documentaire approfondie des données sur les étoiles et des résultats des modèles, l’équipe n’a pas pu identifier d’ajustement chimique similaire ou meilleur pour la pierre Hypatia qu’un ensemble spécifique de modèles de supernova Ia.
Preuve d’éléments médico-légaux
« Toutes les données de supernova Ia et les modèles théoriques montrent des proportions de fer beaucoup plus élevées par rapport au silicium et au calcium que les modèles de supernova II », explique Kramers.
« À cet égard, les données du laboratoire de faisceaux de protons sur Hypatia correspondent aux données et aux modèles de supernova Ia. »
Au total, 8 des 15 éléments analysés sont conformes aux plages de proportions prévues par rapport au fer. Ce sont les éléments 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. Ce sont les éléments aluminium, phosphore, chlore, potassium, cuivre et zinc.
« Puisqu’une étoile naine blanche est formée à partir d’une géante rouge mourante, Hypatie aurait pu hériter de 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 Hypatia serait un indice d’une histoire cosmique commencée lors de la formation précoce de notre système solaire, pour être retrouvée de nombreuses années plus tard dans un désert lointain parsemé d’autres cailloux.
Jan D. Kramers et al, La chimie de la pierre carbonée extraterrestre « Hypatie »: Une perspective sur l’hétérogénéité de la poussière dans l’espace interstellaire, Icare (2022). DOI : 10.1016/j.icarus.2022.115043
Fourni par l’Université de Johannesburg