Una piedra del desierto egipcio, la primera prueba terrestre de una rara supernova

Jan Kramers , Georgy Belyanin y Hartmut Winkler llevan estudiando desde 2013 la roca Hipatia , un guijarro que lleva desconcertando a los científicos desde su descubrimiento a mediados de los noventa, si bien se cree que cayó a la Tierra hace unos 28 millones de años. Su teoría afirma que, efectivamente, Hipatia comenzó en una estrella gigante roja, que colapsó en una enana blanca que finalmente se 'comió' otra estrella y acabó explotando en una supernova tipo Ia. Todo esto ocurrió dentro de una nube de polvo -o nebulosa- donde los átomos de gas, después de enfriarse, se adherieron a las partículas de la nebulosa.

«En cierto sentido, podríamos decir que hemos 'capturado' una explosión de supernova Ia 'en el acto', porque los átomos de gas de la explosión quedaron atrapados en la nube de polvo circundante, que eventualmente formó el cuerpo principal de Hipatia», señala Kramers.

Una enorme 'burbuja' de esta mezcla de polvo y átomos de gas de la supernova nunca interactuaron con otras nubes de polvo. Y así pasaron millones de años, en los que esta 'burbuja' finalmente se convirtió en un cuerpo sólido, en algún momento de las primeras etapas de la formación de nuestro Sistema Solar. Este proceso probablemente ocurrió en una parte exterior fría y mucho más 'tranquila' de nuestro vecindario cósmico, posiblemente en la nube de Oort o en el cinturón de Kuiper.

Pero, ¿cómo acabó este fragmento en la Tierra? Los autores creen que, en algún momento, su trayectoria se fijó hacia nuestro planeta, donde el calor de entrada en la atmósfera terrestre, combinado seguramente con el impacto, destrozó la roca madre, sembrando de fragmentos con 'microdiamantes' el desierto del suroeste de Egipto.

«Si esta hipótesis es correcta, la piedra Hipatia sería la primera evidencia tangible en la Tierra de una explosión de supernova tipo Ia. Tal vez igualmente importante, muestra que una 'parcela' anómala individual de polvo del espacio exterior se incorporó después a los orígenes del Sistema Solar, aunque sin mezclarse por completo -afirma Kramers- . Esto va en contra de la visión convencional de que el polvo del que se formó nuestro Sistema Solar estaba completamente mezclado».

En 2013, los autores realizaron un análisis de los isótopos de argón, deduciendo que la roca no se formó en la Tierra. Por lo tanto, tenía que ser extraterrestre. Dos años después, se fijaron en los gases nobles en el fragmento, los que indicaron que no podía ser un trozo de ningún tipo conocido de meteorito o cometa. En 2018, el equipo publicó varios análisis, que incluían el descubrimiento de un mineral, el fosfuro de níquel, que no se había encontrado previamente en ningún objeto de nuestro Sistema Solar.

Recapitulando: no era de la Tierra, no pertenecía a ningún tipo de cometa o meteorito conocido y contenía un mineral nunca visto en el Sistema Solar. Los autores dicidieron ir más allá y buscar más que las diferencias, las coincidencias con algún otro cuerpo o fenómeno espacial. «Queríamos ver si hay algún tipo de patrón químico consistente en la piedra», señala Kramers.

«Identificamos 15 elementos diferentes en Hypatia con mucha mayor precisión y exactitud, con la microsonda de protones. Esto nos dio los 'ingredientes' químicos que necesitábamos, para que Jan pudiera comenzar el siguiente proceso de análisis de todos los datos», explica por su parte Belyanin.

La primera gran pista nueva de los análisis del haz de protones fue el nivel sorprendentemente bajo de silicio en los objetivos de piedra de Hipatia. El silicio, junto con el cromo y el manganeso, eran menos del 1% de lo esperado para algo formado dentro de nuestro Sistema Solar interior, la zona donde se formó nuestro planeta. Además, los altos contenidos en hierro, azufre, fósforo, cobre y vanadio «fueron notorios y anómalos», agrega Kramers.

«Encontramos un patrón consistente de abundancia de oligoelementos que es completamente diferente de cualquier cosa en el sistema solar, primitivo o evolucionado. Los objetos en el cinturón de asteroides y los meteoritos tampoco coinciden. Así que a continuación buscamos fuera del sistema solar», dice el autor.

Fueron un poco más allá y buscaron entre el polvo de estrellas de nuestro 'brazo' de la Vía Láctea. Tampoco.

La siguiente posible explicación más simple para ese patrón de concentración de elementos sería una estrella gigante roja, un tipo bastante común en el universo. Pero los datos del haz de protones también la descartaron: Hipatia tenía demasiado hierro, muy poco silicio y concentraciones demasiado bajas de elementos pesados ​​más pesados ​​que el hierro.

El siguiente 'sospechoso' a considerar era una supernova tipo II, donde hay mucho hierro involucrado y un tipo de supernova relativamente común. Pero, una vez más, los datos del haz de protones lo descartaron: una supernova tipo II era muy poco probable como fuente de minerales extraños presentes en Hipatia, como el fosfuro de níquel. También había demasiado hierro en comparación con el silicio y el calcio.

Los autores se fijaron entonces en las supernovas de tipo Ia, un fenómeno raro que solo se da una o dos veces por galaxia y siglo, pero donde se 'fabrica' la mayor parte de hierro del universo. De hecho, la mayor parte del acero en la Tierra fue, una vez, el elemento hierro creado por Ia supernovas.

Además, por suerte, tienen una 'firma química' muy particular: la fusión nuclear durante la explosión de la supernova Ia crea patrones de concentración de elementos muy inusuales, según predicen los modelos teóricos científicos aceptados; además, la estrella enana blanca que explota en una supernova Ia no solo se hace pedazos, sino que literalmente se convierte en átomos que se lanzan al espacio.

«Todos los datos de supernova Ia y los modelos teóricos muestran proporciones mucho más altas de hierro en comparación con el silicio y el calcio que los modelos de supernova II -afirma Kramers-. En este sentido, los datos del laboratorio del haz de protones en Hypatia se ajustan a los datos y modelos de la supernova Ia».

En total, 8 de los 15 elementos analizados se ajustaban a los rangos de proporciones previstos en relación con el hierro. Esos son los elementos silicio, azufre, calcio, titanio, vanadio, cromo, manganeso, hierro y níquel. Sin embargo, no todos los 15 elementos analizados en Hipatia se ajustan a las predicciones. En 6 de los 15 elementos, las proporciones fueron entre 10 y 100 veces superiores a los rangos predichos por los modelos teóricos para supernovas de tipo 1A. Estos son los elementos aluminio, fósforo, cloro, potasio, cobre y zinc.

«Dado que una estrella enana blanca se forma a partir de una gigante roja moribunda, Hipatia podría haber heredado estas proporciones de los seis elementos de una estrella gigante roja. Este fenómeno se ha observado en estrellas enanas blancas en otras investigaciones», agrega Kramers.

De ser correcta esta hipótesis, Hipatia sería la primera evidencia tangible en la Tierra de una explosión de supernova tipo Ia, uno de los eventos más energéticos del universo. Y, además, una pista de la historia cósmica de nuestro universo.