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Astronomia17/05/2022

Pedra extraterrestre traz primeiras pistas de supernova para a Terra

Amostra de 3 gramas da pedra Hypatia. Os pesquisadores encontraram um padrão consistente de 15 elementos na pedra. O padrão é totalmente diferente de qualquer coisa no Sistema Solar ou nossa vizinhança solar, na Via Láctea. Crédito: Romano Serra

17/05/22 - 10h11min

Uma nova química “forense” indica que a pedra Hypatia, encontrada no deserto egípcio, pode ser a primeira evidência tangível colhida na Terra de uma explosão de supernova tipo Ia. Raras, essas supernovas são alguns dos eventos mais energéticos do universo.

Essa é a conclusão de um novo estudo publicado na revista Icarus, de autoria de Jan Kramers, Georgy Belyanin e Hartmut Winkler, da Universidade de Johanesburgo (África do Sul), e outros.

Desde 2013, Belyanin e Kramers têm descoberto uma série de pistas químicas altamente incomuns em um pequeno fragmento da pedra Hypatia. Em sua nova pesquisa, eles eliminam “suspeitos cósmicos” da origem da pedra em um processo meticuloso. Eles montaram uma linha do tempo que remonta aos estágios iniciais da formação da Terra, do Sol e de outros planetas do nosso sistema solar.

Linha do tempo cósmica

Sua hipótese sobre a origem de Hypatia começa com uma estrela: uma estrela gigante vermelha entrou em colapso em uma estrela anã branca. O colapso teria acontecido dentro de uma gigantesca nuvem de poeira, também chamada de nebulosa.

Essa anã branca encontrava-se em um sistema binário com uma segunda estrela. A estrela anã branca acabou por “comer” a outra estrela. Em algum momento, a anã branca “faminta” explodiu como uma supernova tipo Ia dentro da nuvem de poeira. Após o resfriamento, os átomos de gás que restaram da supernova Ia começaram a grudar nas partículas da nuvem de poeira.

“Em certo sentido, poderíamos dizer que ‘pegamos’ uma explosão de supernova Ia ‘no ato’, porque os átomos de gás da explosão foram capturados na nuvem de poeira circundante, que acabou formando o corpo pai de Hypatia”, disse Kramers.

Uma enorme “bolha” dessa mistura de átomos de poeira e gás de supernova nunca interagiu com outras nuvens de poeira.

Evidência tangível

Milhões de anos se passariam e a “bolha” lentamente se tornaria sólida, em uma espécie de “bola de poeira cósmica”. O “corpo pai” de Hypatia se tornaria uma rocha sólida em algum momento nos estágios iniciais de formação do nosso sistema solar. Esse processo provavelmente aconteceu em uma parte externa fria e sem intercorrências do Sistema Solar – na nuvem de Oort ou no cinturão de Kuiper.

Em algum momento, a rocha-mãe de Hypatia começou a se lançar em direção à Terra. O calor de entrada na atmosfera terrestre, combinado com a pressão do impacto no Grande Mar de Areia no sudoeste do Egito, criou microdiamantes e estilhaçou a rocha-mãe.

A pedra Hypatia apanhada no deserto deve ser um dos muitos fragmentos da rocha de impacto original.

“Se esta hipótese estiver correta, a pedra Hypatia seria a primeira evidência tangível na Terra de uma explosão de supernova tipo Ia. Talvez igualmente importante, ela mostra que uma ‘parcela’ anômala individual de poeira do espaço sideral poderia realmente estar incorporada na nebulosa da qual nosso sistema solar foi formado, sem estar totalmente misturada”, afirmou Kramers.“Isso vai contra a visão convencional de que a poeira da qual o Sistema Solar foi formado foi completamente misturada”.

Três milhões de volts para uma pequena amostra

Para montar a linha do tempo de como Hypatia pode ter se formado, os pesquisadores usaram várias técnicas a fim de analisar a estranha pedra.

Em 2013, um estudo dos isótopos de argônio mostrou que a rocha não foi formada na Terra. Tinha de ser extraterrestre. Um estudo de 2015 de gases nobres no fragmento indicou que pode não ser de nenhum tipo conhecido de meteorito ou cometa.

Em 2018, a equipe da Universidade de Johanesburgo publicou várias análises, que incluíram a descoberta de um mineral, fosforeto de níquel, não encontrado anteriormente em nenhum objeto no Sistema Solar.

Nesse estágio, Hypatia estava se mostrando difícil de analisar mais. Os traços de metais que Kramers e Belyanin estavam procurando não podiam ser “vistos em detalhes” com o equipamento que tinham. Eles precisavam de um instrumento mais poderoso que não destruísse a pequena amostra.

Kramers começou a analisar um conjunto de dados que Belyanin havia criado alguns anos antes.

Em 2015, Belyanin fez uma série de análises em um feixe de prótons no iThemba Labs em Somerset West (África do Sul). Na época, o dr. Wojciech Przybylowicz mantinha a máquina de 3 milhões de volts funcionando.


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Em busca de um padrão

“Em vez de explorar todas as anomalias incríveis que Hypatia apresenta, queríamos explorar se há uma unidade subjacente. Queríamos ver se há algum tipo de padrão químico consistente na pedra”, disse Kramers.

Belyanin selecionou cuidadosamente 17 alvos na pequena amostra para análise. Todos foram escolhidos para estarem bem longe dos minerais terrestres que se formaram nas rachaduras da rocha original após seu impacto no deserto.

“Identificamos 15 elementos diferentes em Hypatia com muito mais precisão e exatidão, com a microssonda de prótons. Isso nos deu os ‘ingredientes’ químicos de que precisávamos, para que Jan pudesse iniciar o próximo processo de análise de todos os dados”, afirmou Belyanin.

Feixe de prótons também descarta Sistema Solar

A primeira grande nova pista das análises do feixe de prótons foi o nível surpreendentemente baixo de silício nos alvos de Hypatia. O silício, o cromo e o manganês eram menos de 1% esperados para algo formado dentro do Sistema Solar interno.

Além disso, altos teores de ferro, enxofre, fósforo, cobre e vanádio eram evidentes e anômalos, acrescentou Kramers.

“Encontramos um padrão consistente de abundância de oligoelementos que é completamente diferente de qualquer coisa no sistema solar, primitivo ou evoluído. Objetos no cinturão de asteroides e meteoros também não combinam com isso. Então, em seguida, olhamos para fora do Sistema Solar”, afirmou Kramer.

De fora do nosso bairro

Em seguida, Kramers comparou o padrão de concentração do elemento Hypatia com o que se esperaria ver na poeira entre as estrelas em nosso braço solar da Via Láctea.

“Procuramos ver se o padrão que obtemos da poeira interestelar média em nosso braço da Via Láctea se encaixa no que vemos em Hypatia. Mais uma vez, não houve nenhuma semelhança”, acrescentou Kramers.

Neste ponto, os dados do feixe de prótons também descartaram quatro “suspeitos” de onde Hypatia poderia ter se formado.

Hypatia não se formou na Terra, não fazia parte de nenhum tipo conhecido de cometa ou meteorito, não se formou a partir da poeira média do Sistema Solar interno e também não da poeira interestelar média.

Não é uma gigante vermelha nem supernova tipo II

A próxima explicação mais simples possível para o padrão de concentração de elementos em Hypatia seria uma estrela gigante vermelha. Estrelas gigantes vermelhas são comuns no universo.

Mas os dados do feixe de prótons também descartaram o fluxo de massa de uma estrela gigante vermelha: Hypatia tinha muito ferro, pouco silício e concentrações muito baixas de elementos mais pesados ​​que o ferro.

O próximo “suspeito” a considerar foi uma supernova tipo II. Supernovas do tipo II cozinham muito ferro. Eles também são um tipo relativamente comum de supernova.

Novamente, os dados do feixe de prótons para Hypatia descartaram um suspeito promissor com “química forense”. Uma supernova tipo II era altamente improvável como fonte de minerais estranhos como fosforeto de níquel no seixo. Havia também muito ferro em Hypatia em comparação com silício e cálcio.

Era hora de examinar de perto a química prevista de uma das explosões mais dramáticas do universo.

Fábrica de metais pesados

Um tipo mais raro de supernova também produz muito ferro. Supernovas do tipo Ia só acontecem uma ou duas vezes por galáxia por século. Mas eles fabricam a maior parte do ferro (Fe) do universo. A maior parte do aço na Terra já foi o elemento ferro criado pelas supernovas Ia.

Além disso, a ciência estabelecida diz que algumas supernovas Ia deixam pistas muito distintas de ‘química forense’ para trás. Isso se deve ao modo como algumas supernovas Ia são configuradas.

Primeiro, uma estrela gigante vermelha no final de sua vida colapsa em uma estrela anã branca muito densa. As estrelas anãs brancas em geral são incrivelmente estáveis ​​por períodos muito longos e é pouco provável que explodam. No entanto, existem exceções a isso.

Uma estrela anã branca pode começar a “puxar” matéria de outra estrela em um sistema binário. Pode-se dizer que a estrela anã branca “come” sua estrela companheira. Posteriormente, a anã branca fica tão pesada, quente e instável que explode em uma supernova Ia.

A fusão nuclear durante a explosão da supernova Ia deve criar padrões de concentração de elementos altamente incomuns, preveem modelos teóricos científicos aceitos.

Além disso, a estrela anã branca que explode em uma supernova Ia não é apenas explodida em pedaços, mas literalmente explodida em átomos. A matéria da supernova Ia é entregue ao espaço como átomos de gás.

Em uma extensa pesquisa bibliográfica de dados de estrelas e resultados de modelos, a equipe não conseguiu identificar nenhum ajuste químico semelhante ou melhor para a pedra Hypatia do que um conjunto específico de modelos de supernova Ia.

Evidências de elementos forenses

“Todos os dados e modelos teóricos de supernova Ia mostram proporções muito maiores de ferro em comparação com silício e cálcio do que os modelos de supernova II”, disse Kramers. “A este respeito, os dados de laboratório de feixe de prótons em Hypatia se encaixam em dados e modelos de supernova Ia.”

Ao todo, 8 dos 15 elementos analisados ​​estão de acordo com as faixas previstas de proporções relativas ao ferro. Esses são os elementos silício, enxofre, cálcio, titânio, vanádio, cromo, manganês, ferro e níquel.

Nem todos os 15 elementos analisados ​​em Hypatia se encaixam nas previsões. Em seis dos 15 elementos, as proporções foram entre 10 e 100 vezes maiores do que os intervalos previstos pelos modelos teóricos para supernovas do tipo Ia. São os elementos alumínio, fósforo, cloro, potássio, cobre e zinco.

“Uma vez que uma estrela anã branca é formada a partir de uma gigante vermelha moribunda, Hypatia poderia ter herdado essas proporções de elementos para os seis elementos de uma estrela gigante vermelha. Esse fenômeno foi observado em estrelas anãs brancas em outras pesquisas”, acrescentou Kramers.

Se essa hipótese estiver correta, a pedra Hypatia seria a primeira evidência tangível na Terra de uma explosão de supernova tipo Ia, um dos eventos mais energéticos do universo.

A pedra Hypatia seria uma pista de uma história cósmica iniciada durante a formação inicial do nosso Sistema Solar, apenas para ser encontrada muitos anos depois em um deserto remoto repleto de outros seixos.

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