新化學“取證”表明，來自埃及沙漠的名為Hypatia的石頭可能是地球上發現的第一個超新星Ia型爆炸的實物證據。這些罕見的超新星是宇宙中能量最強的一些事件。
這是約翰內斯堡大學的Jan Kramers、Georgy Belyanin和Hartmut Winkler等人聯合展開的一項新研究的結論，該研究已經發表在《Icarus》上。
自2013年以來，Belyanin和Kramers在Hypatia石的一小塊碎片中發現了一系列極不尋常的化學線索。
在這項研究中，他們在艱苦的過程中一絲不苟地排除了該石頭起源的“宇宙嫌疑人”。他們拼湊出一條時間線並延伸到地球、我們的太陽和太陽系中其他行星形成的早期階段。
宇宙的時間線
據了解，Belyanin等人關於Hypatia起源的假說是從一顆恆星開始的。一顆紅巨星坍縮成一顆白矮星。而坍縮會發生在一個巨大的塵埃雲–也叫星雲–中。
那顆白矮星發現自己跟第二顆恆星組成了一個雙星系統。這顆白矮星最終 “吃掉”了另一顆恆星。在某個時候，這個“飢餓”的白矮星在塵埃雲中爆炸並成為了一顆Ia型超新星。
在冷卻之後，超新星Ia的剩餘氣體原子開始粘附在塵埃雲的顆粒上。
Kramer說道：“在某種意義上，我們可以說‘抓住了’超新星Ia爆炸的‘蛛絲馬跡’，因為爆炸的氣體原子被捲入了周圍的塵埃雲並最終形成了Hypatia的母體。”
這種超新星塵埃和氣體原子混合體的巨大“氣泡”則從未跟其他塵埃雲發生過作用。
數百萬年過去了，最終這個‘氣泡’將以一種‘宇宙塵埃兔子’的方式慢慢變成固體。Hypatia的“母體”則將在我們太陽系形成的早期階段的某個時候成為一塊固體岩石。
這個過程可能發生在我們太陽系的一個寒冷的、不平靜的外部地區–在奧爾特雲或柯伊伯帶中。
在某個時候，Hypatia的母體岩石開始向地球急速墜落。進入地球大氣層的熱量，再加上在埃及西南部的大沙海中的撞擊壓力，產生了微鑽石並粉碎了母岩。
在沙漠中撿到的Hypatia石一定是最初撞擊體的許多碎片之一。
“如果這個假設是正確的，Hypatia石將是地球上第一個關於超新星Ia型爆炸的有形證據。也許同樣重要的是，它表明來自外太空的個別異常‘包裹’的塵埃實際上可以被納入我們太陽系形成的太陽星雲中，而沒有被完全混合進去，”Kramer說道，“這跟傳統的觀點相反–即我們的太陽系是由塵埃形成的–是完全混合的。”
300萬伏的電壓用於一個微小的樣品
為了拼湊出Hypatia可能形成的時間線，研究人員使用了幾種技術來分析這塊奇怪的石頭。
2013年，一項對氬同位素的研究表明這塊石頭不是在地球上形成的。它肯定是外星的。2015年對該碎片中的惰性氣體的研究表明，它可能不是來自任何已知類型的隕石或彗星。
2018年，UJ團隊發表了各種分析報告，其中包括發現了一種礦物–磷化鎳，這是以前在我們太陽系的任何物體中沒有發現的。
在那個階段，事實證明Hypatia難以進一步分析。Kramers和Belyanin正在尋找的微量金屬，然而用他們的設備無法真正看到細節。他們需要一個不會破壞這些微小樣品的更強大儀器。
Kramers開始分析Blyanin幾年前創建的一個數據集。
2015年，Belyanin曾在薩默塞特西區的iThemba實驗室對質子束做了一系列分析。當時，Wojciech Przybylowicz博士讓這台300萬伏特的機器一直在嗡嗡作響。
尋找一種模式
“我們不是要探索Hypatia所呈現的所有令人難以置信的異常現象，而是要探索是否存在一種潛在的統一性。我們想看看石頭中是否有某種一致的化學模式，”Kramers說道。
Belyanin則在這個小小的樣品上精心挑選了17個目標進行分析。所有的目標都被選擇為遠離地球上的礦物，這些礦物在原石撞擊沙漠后的裂縫中形成。
“我們用質子微探針以更高的精度和準確性確定了Hypatia中的15種不同的元素，”Belyanin指出，“這給了我們所需要的化學‘成分’，所以Jan可以開始下一個分析所有數據的過程。”
質子束也排除了太陽系的可能性
質子束分析提供的第一條重要的新線索是Hypatia石靶中的硅含量低得令人吃驚。硅連同鉻和錳都低於在我們的內太陽系內形成的東西所應達到的1%。
此外，Kramers指出，高鐵、高硫、高磷、高銅和高釩都非常明顯和異常。“我們發現了一種一致的微量元素丰度模式，它跟太陽系中的任何東西完全不同，無論是原始的還是進化的。小行星帶中的物體和流星也不符合這種情況。因此，接下來我們在太陽系外尋找。”
不是來自我們附近
然後Kramers將Hypatia元素濃度模式跟期望在銀河系太陽臂的恆星之間的塵埃中看到的情況進行了比較。
“我們看看我們從銀河系太陽臂的平均星際塵埃中得到的模式是否符合我們在Hypatia中看到的情況，”Kramers補充道，“同樣，根本沒有任何相似之處。”
在這一點上，質子束數據也排除了Hypatia可能形成的四個“嫌疑人”。
Hypatia不是在地球上形成的，不是任何已知類型的彗星或隕石的一部分，不是由普通的內太陽系塵埃形成的，也不是由普通的星際塵埃形成的。
不是一個紅巨星
對於Hypatia的元素濃度模式，下一個最簡單的可能解釋是一顆紅巨星。紅巨星在宇宙中非常常見。
但質子束數據也排除了來自紅巨星的質量外流：Hypatia有太多的鐵，太少的硅及比鐵重的重元素的濃度太低。
也不是一個II型超新星
下一個要考慮的“嫌疑”是II型超新星。II型超新星煮出了大量的鐵。它們也是一種相對常見的超新星類型。
同樣，Hypatia的質子束數據用“化學法醫學”排除了一個有希望的嫌疑人。超新星II型作為鵝卵石中磷化鎳等奇怪礦物的來源，是非常不可能的。跟硅和鈣相比，Hypatia中的鐵也顯得太多了。
是時候仔細檢查宇宙中最引人注目的爆炸之一的預測化學成分了。
重金屬工廠
一種更罕見的超新星還製造了大量的鐵。Ia型超新星在每個星系中每個世紀只發生一到兩次。但它們製造了宇宙中大部分的鐵（Fe）。地球上的大部分鋼鐵曾經是Ia型超新星創造的鐵元素。
此外，既定的科學指出，一些Ia超新星留下了非常獨特的“法醫化學”線索。這是因為一些Ia超新星的設置方式。
首先，一顆紅巨星在其生命的最後階段會坍縮成一顆非常密集的白矮星。白矮星通常會在很長一段時間內都是非常穩定的且最不可能發生爆炸。然而，這也有例外。
一顆白矮星可能開始從雙星系統中的另一顆恆星上“拉”出物質。可以說白矮星‘吃掉’了它的伴星。最終，白矮星變得如此沉重、炎熱和不穩定以至於它在超新星Ia中爆炸。
正如公認的科學理論模型所預測的那樣，超新星Ia爆炸期間的核聚變應該產生高度不尋常的元素濃度模式。
此外，在超新星Ia中爆炸的白矮星不只是被炸成碎片，而是真的被炸成原子。超新星Ia的物質則以氣體原子的形式被送入太空。
在對恆星數據和模型結果的廣泛文獻搜索中，研究小組無法找到任何類似的或比一組特定的超新星Ia模型更適合Hypatia石的化學成分。
法醫元素證據
“所有超新星Ia的數據和理論模型顯示，跟硅和鈣相比，鐵的比例遠遠高於超新星II模型，”Kramer說道，“在這方面，Hypatia的質子束實驗室數據跟超新星Ia的數據和模型相吻合。”
總的來說，所分析的15種元素中有8種符合預測的相對於鐵的比例範圍。這些元素是硅、硫、鈣、鈦、釩、鉻、錳、鐵和鎳。
不過在Hypatia分析的15種元素中，並非所有的元素都符合預測。在15種元素中，有6種元素的比例比1A型超新星的理論模型所預測的範圍高10到100倍。這些元素是鋁、磷、氯、鉀、銅和鋅。
“由於白矮星是由一顆垂死的紅巨星形成的，Hypatia可能是從一顆紅巨星那裡繼承了這六種元素的比例。這種現象在其他研究中已經在白矮星中觀察到了，”Kramers補充道。
如果這個假設是正確的，Hypatia石將是地球上第一個超新星Ia型爆炸的有形證據，這是宇宙中能量最強的事件之一。
Hypatia石是我們太陽系早期形成過程中開始的一個宇宙故事的線索並在多年後在一個散落着其他卵石的偏遠沙漠中被人發現。