ไฮพาเทีย: หลักฐานจากซุปเปอร์โนวาชนิดหนึ่ง ชิ้นแรกที่พบบนโลก

ตัวอย่างหินไฮพาเทียขนาด 3 กรัม นักวิจัยได้พบรูปแบบธาตุ 15 ธาตุที่เกี่ยวข้องกันในหินนี้ รูปแบบนั้นแตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับสิ่งใดๆ ในระบบสุริยะของเราหรือละแวกใกล้เคียงระบบสุริยะ

      ข้อมูลนิติวิทยาศาสตร์เคมีบ่งชี้ว่าหินที่มีชื่อว่า ไฮพาเทีย จากทะเลทรายอียิปต์น่าจะเป็นหลักฐานการระเบิดซุปเปอร์โนวาชนิดหนึ่งเอที่ชัดเจนครั้งแรกที่พบบนโลก นี่เป็นข้อสรุปจากการศึกษาใหม่ที่เผยแพร่ในวารสาร Icarus โดย Jan Kramers, Georgy Belyanin และ Hartmut Winkler จากมหาวิทยาลัยโยฮันเนสเบิร์ก และคณะ

     ก้อนหินหนัก 30 กรัมที่ถูกพบในทะเลทรายซาฮาราใกล้พรมแดนอียิปต์-ลิเบีย ในปี 1996 ได้ชื่อตาม ไฮพาเทีย(Hypatia) นักคณิตศาสตร์ชาวอียิปต์ผู้ยิ่งใหญ่(คศ 360-415) ผู้ซึ่งถูกสังหารโดยพวกคลั่งศาสนา เพียงเพราะเป็นผู้หญิง   

      นับตั้งแต่ปี 2013 Belyanin และ Kramers ได้ค้นพบร่องรอยสารเคมีที่สูงอย่างไม่ปกติชุดหนึ่ง ในชิ้นส่วนขนาดเล็กชิ้นหนึ่งจากไฮพาเทีย ในงานวิจัยใหม่ พวกเขากำจัดแหล่งกำเนิดต้องสงสัยในอวกาศของหิน ซึ่งปะติดปะต่อไทม์ไลน์ย้อนกลับไปได้ถึงช่วงต้นของการก่อตัวโลก, ดวงอาทิตย์และดาวเคราะห์อื่นๆ ในระบบสุริยะของเรา

      สมมุติฐานของทีมเกี่ยวกับกำเนิดของไฮพาเทียเริ่มที่ดาวดวงหนึ่ง เมื่อดาวยักษ์แดงดวงหนึ่งยุบตัวกลายเป็นดาวแคระขาว(white dwarf) การยุบตัวน่าจะเกิดขึ้นภายในเมฆฝุ่นขนาดมหึมาที่เรียกว่า เนบิวลา(nebula) จากนั้น ดาวแคระขาวดวงนี้ก็บังเอิญไปอยู่ในระบบดาวคู่(binary system) กับดาวดวงที่สอง สุดท้าย ดาวแคระขาวก็ตอดกินดาวอีกดวง เมื่อเวลาผ่านไป ดาวแคระขาวผู้หิวโหยก็ระเบิดกลายเป็นซุปเปอร์โนวาชนิดหนึ่งเอ(Type Ia supernova) ภายในเมฆฝุ่นนี้

     หลังจากเย็นตัวลง อะตอมก๊าซที่เป็นซากจากซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอ ก็เริ่มเกาะติดกับอนุภาคในเมฆฝุ่น จะพูดได้ว่าเราจับซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอได้คาหนังคาเขา เพราะอะตอมก๊าซจากการระเบิดถูกจับไว้ในเมฆฝุ่นที่ล้อมรอบ ซึ่งต่อมาก็ก่อตัวเป็นวัตถุต้นกำเนิดของไฮพาเทีย Kramers กล่าว ของผสมก๊าซฝุ่นของซุปเปอร์โนวาแห่งนี้ไม่เคยมีปฏิสัมพันธ์กับเมฆฝุ่นอื่นๆ เลย จนเมื่อเวลาผ่านไปหลายล้านปี ฟองก๊าซสุดท้ายก็ค่อยๆ แข็งตัวกลายเป็นก้อนฝุ่น วัตถุต้นกำเนิดของไฮพาเทียก็น่าจะกลายเป็นก้อนหินในช่วงต้นการก่อตัวระบบสุริยะ

ลำแสงโปรตอนพลังงานสูงแสดงธาตุน้อยนิด 3 ชนิดในหินไฮพาเทีย และความเข้มข้นของพวกมัน เราจะเห็นกำมะถัน, เหล็กและนิกเกิล ใน target 1 และ 2 ภายใน พื้นที่ตัวอย่างที่ 14 บนตัวอย่าง Georgy Belyanin ใช้ลำแสงโปรตอน 3 ล้านโวลท์เพื่อวิเคราะห์ชิ้นส่วนน้อยนิดของไฮพาเทีย

     กระบวนการนี้อาจจะเกิดขึ้นที่ส่วนนอกของระบบสุริยะที่เย็น และไม่สม่ำเสมอ ในส่วนที่เรียกว่า แถบไคเปอร์(Kuiper Belt) หรือในเมฆออร์ต(Oort cloud) จากนั้น หินต้นกำเนิดของไฮพาเทียก็มุ่งหน้าเข้ามาที่โลก ความร้อนที่เกิดจากการเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลก รวมกับแรงดันจากการชนในทะเลทรายใหญ่(the Great Sand Sea) ทางตะวันตกเฉียงใต้ของอิยิปต์ ได้สร้างเพชรไมโคร(micro-diamonds) ปริมาณสูงมาก และกระจายหินต้นกำเนิดออกไป ซึ่งหินไฮพาเทียที่ถูกเก็บจากทะเลทรายจึงเป็นหนึ่งในชิ้นส่วนมากมายจากวัตถุที่พุ่งมาชนเดิม

     ถ้าสมมุติฐานนี้ถูกต้อง หินไฮพาเทียก็น่าจะเป็นหลักฐานที่ชัดเจนชิ้นแรกบนโลกจากการระเบิดซุปเปอร์โนวาชนิดหนึ่งเอ เคยมีการรายงานหลักฐษนจากซุปเปอร์โนวาชนิดนี้บนโลกมาก่อน แต่ก็อยู่ในรูปของธาตุจำนวนน้อยนิด(trace element) ที่กระจายไปทั่วพื้นมหาสมุทร

     บางทีสิ่งที่สำคัญพอๆ กันก็คือ มันได้แสดงว่าอาจมี “พัสดุ” ก้อนฝุ่นจากห้วงอวกาศข้างนอก ที่สามารถมารวมกับเนบิวลาก่อตัวดวงอาทิตย์ที่ระบบสุริยะของเราจะก่อตัวขึ้น โดยไม่จำเป็นต้องผสมรวมเป็นอย่างดี ก็ได้ Kramers กล่าว นี่ค้านกับแนวคิดเดิมที่บอกว่าฝุ่นที่ระบบสุริยะของเราก่อตัวขึ้นนั้นถูกผสมด้วยทั่วถึง

     เพื่อปะติดปะต่อไทม์ไลน์ว่าไฮพาเทียอาจจะก่อตัวอย่างไร นักวิจัยได้ใช้เทคนิคมากมายเพื่อวิเคราะห์หินประหลาดก้อนนี้ ในปี 2013 การศึกษาไอโซโทปอาร์กอน ได้แสดงว่าหินก้อนนี้ไม่ได้ก่อตัวขึ้นบนโลก มันก็ต้องมาจากนอกโลก การศึกษาก๊าซมีตระกูลในปี 2015 ในชิ้นส่วนได้บ่งชี้ว่ามันอาจจะไม่ได้ก่อตัวขึ้นจากอุกกาบาตหรือดาวหางใดๆ ที่เรารู้จักเลย ในปี 2018 ทีมมหาวิทยาลัยโจฮันเนสเบิร์กได้เผยแพร่การวิเคราะห์หลายอย่างที่รวมถึงการค้นพบแร่ธาตุชนิดหนึ่งที่เรียกว่า นิกเกิลฟอสไฟด์(nickel phosphide) ซึ่งไม่เคยพบในวัตถุใดๆ ในระบบสุริยะของเรามาก่อน

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโจฮันเนสเบิร์กพบว่าธาตุเกือบทั้งหมดที่พวกเขาวิเคราะห์ในไฮพาเทียนั้นสอดคล้องกับการทำนายจากแบบจำลองซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอ ข้อมูลลำแสงโปรตอนยังแสดงว่า ธาตุ 9 จาก 15 ธาตุมีความเข้มข้นใกล้เคียงกับระดับที่ทำนายไว้

     ในจุดนั้น ก็ยากที่จะวิเคราะห์ไฮพาเทียต่อไปได้ เมื่อโลหะจำนวนเล็กน้อยที่ Kramers และ Belyanin กำลังมองหานั้น เครื่องมือที่พวกเขามีอยู่ไม่สามารถเห็นรายละเอียดได้ พวกเขาต้องการเครื่องมือที่มีกำลังสูงกว่านั้นที่ไม่ทำลายตัวอย่างอันน้อยนิดไป Kramers เริ่มวิเคราะห์ชุดข้อมูลที่ Belyanin ได้ทำไว้เมื่อไม่กี่ปีก่อนหน้านั้น ในปี 2015 Belyanin ได้ทำการวิเคราะห์ชุดหนึ่งด้วยลำแสงโปรตอนที่ iThemba Labs ในตอนนั้นโดยใช้เครื่องมือระดับสามล้านโวลท์

     แต่แทนที่จะตรวจสอบความผิดปกติทั้งหมดที่ไฮพาเทียมี เราต้องการจะตรวจสอบถ้ามีความเหมือนอะไรที่ซ่อนอยู่บ้าง เราต้องการจะดูว่ามีรูปแบบทางเคมีในหินที่สอดคล้องบ้างหรือไม่ Kramers กล่าว Belyanin ได้เลือกเป้าหมาย 17 แห่งบนตัวอย่างขนาดจิ๋วเพื่อวิเคราะห์ ทั้งหมดเลือกโดยให้อยู่ห่างไกลจากแร่ธาตุบนโลกที่ก่อตัวในรอยแตกของหินเดิมหลังจากที่ชนกับทะเลทราย

      เราได้จำแนกธาตุที่แตกต่างกัน 15 ธาตุในไฮพาเทียด้วยความแม่นยำและเที่ยงตรงสูงมากขึ้น ด้วยเครื่องยิงโปรตอน นี่ช่วยให้เรามีองค์ประกอบเคมีที่ต้องการ เพื่อที่ Jan(Kramers) จะเริ่มวิเคราะห์ข้อมูลทั้งหมดในขั้นตอนต่อไปได้ Belyanin กล่าว เงื่อนงำใหญ่สิ่งแรกจากการวิเคราะห์ด้วยลำแสงโปรตอนก็คือระดับของซิลิกอนในไฮพาเทียที่ต่ำจนน่าประหลาดใจ ซิลิกอนพร้อมทั้งโครเมียมและมังกานีส นั้นมีไม่ถึง 1% ของที่คาดไว้สำหรับวัตถุที่ก่อตัวภายในระบบสุริยะส่วนใน

     ยิ่งกว่านั้น ระดับเหล็กที่สูง, กำมะถันสูง, ฟอสฟอรัสสูง, ทองแดงสูง และวาเนเดียมที่สูง ก็น่าสงสัยและน่าประหลาดใจ Kramers กล่าวเสริม เราได้พบรูปแบบที่สอดคล้องกันของธาตุที่มีปริมาณน้อยนิดเหล่านี้ ซึ่งแตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับวัตถุในระบบของเราไม่ว่าเป็นวัตถุดั่งเดิมหรือมีการเปลี่ยนแปลงไป วัตถุในแถบดาวเคราะห์น้อยและดาวตกก็ไม่สอดคล้องเช่นกัน ดังนั้น ต่อไปเราจึงมองไปนอกระบบสุริยะ

      จากนั้น Kramers ก็เปรียบเทียบรูปแบบความเข้มข้นธาตุในไฮพาเทีย กับสิ่งที่คาดว่าน่าจะพบในฝุ่นระหว่างดวงดาวในแขนกังหันของทางช้างเผือกที่ดวงอาทิตย์อาศัยอยู่ เราพิจารณาว่ารูปแบบที่เราได้จากฝุ่นทั่วไปในห้วงอวกาศในแขนกังหันทางช้างเผือกของเรา สอดคล้องกับสิ่งที่เราเห็นในไฮพาเทียหรือไม่ และอีกครั้งที่มันไม่มีความคล้ายคลึงเลย

ตัวอย่างขนาดจิ๋วของหินไฮพาเทียวางไว้ใกล้ๆ กับเหรียญขนาดเล็ก ซุปเปอร์โนวาชนิดหนึ่งเอที่พบได้ยากเป็นหนึ่งในเหตุการณ์ที่ทรงพลังที่สุดในเอกภพ

     ในจุดนี้ ข้อมูลจากลำแสงโปรตอนได้กำจัดแหล่งต้องสงสัย 4 แห่งที่ไฮพาเทียอาจจะก่อตัวขึ้น คือ มันไม่ได้ก่อตัวบนโลก, ไม่ได้เป็นส่วนใดส่วนหนึ่งของดาวเคราะห์น้อยหรือดาวหาง, ไม่ได้ก่อตัวจากฝุ่นทั่วไปในระบบสุริยะส่วนใน และไม่ได้มาจากฝุ่นทั่วไปในห้วงอวกาศระหว่างดวงดาว ด้วยเช่นกัน

    คำอธิบายที่เป็นไปได้ที่เรียบง่ายที่สุดอันดับต่อไปสำหรับรูปแบบความเข้มข้นธาตุที่พบในไฮพาเทีย ก็น่าจะเป็นดาวยักษ์แดงดวงหนึ่ง ซึ่งพบได้ทั่วไปในเอกภพ แต่ข้อมูลลำแสงโปรตอนก็กำจัดการปลดปล่อยมวลจากดาวยักษ์แดงด้วยเช่นกัน เมื่อไฮพาเทียมีเหล็กสูงเกินไป, ซิลิกอนน้อยเกินไป และมีธาตุหนักที่หนักกว่าเหล็กน้อยเกินไป

     ผู้ต้องสงสัยลำดับถัดไปก็น่าจะเป็นซุปเปอร์โนวาชนิดสอง(Type II supernova) ซึ่งจะสร้างเหล็กจำนวนมาก และเป็นซุปเปอร์โนวาชนิดที่พบได้ค่อนข้างบ่อย อีกครั้งที่ข้อมูลลำแสงโปรตอนไม่สอดคล้อง เมื่อซุปเปอร์โนวาชนิดนี้ไม่สอดคล้องอย่างรุนแรงในฐานะแหล่งแร่ธาตุนิกเกิลฟอสไฟด์ในก้อนกรวดนี้ และในไฮพาเทีย ยังมีระดับเหล็กเมื่อเทียบกับซิลิกอนและคัลเซียม ที่สูงเกินไปมากด้วย

     ยังมีซุปเปอร์โนวาชนิดที่พบได้ยากกว่าอีกชนิดที่ก็ผลิตเหล็กในปริมาณสูงด้วย ซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอจะเกิดขึ้นเพียงหนึ่งหรือสองครั้งต่อหนี่งกาแลคซีต่อหนึ่งร้อยปี แต่พวกมันเป็นผู้ผลิตเหล็กหลักในเอกภพ เหล็กกล้าบนโลกเกือบทั้งหมดครั้งหนึ่งก็เคยเป็นธาตุเหล็กที่ถูกสร้างในหนึ่งเอ และซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอกบางส่วนก็จะมีร่องรอยทางเคมีที่โดดเด่นด้วย นั้นเป็นเพราะรูปแบบการสร้างซุปเปอร์โนวาเหล่านี้

     เริ่มแรกด้วยดาวยักษ์แดงดวงหนึ่งในช่วงบั้นปลายชีวิต ได้ยุบตัวกลายเป็นดาวแคระขาวที่หนาแน่นสูง โดยปกติ ดาวแคระขาวจะมีความเสถียรอย่างมากเป็นเวลายาวนาน และไม่น่าจะมีการระเบิดใดเกิดขึ้นได้ ยกเว้นถ้าดาวแคระขาวเริ่มดึงวัสดุสารจากดาวข้างเคียงในระบบคู่ จนสุดท้ายดาวแคระขาวหนักเกิน, ร้อนเกินและไม่เสถียร มันจะระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอ

     การหลอมนิวเคลียสในระหว่างเกิดซุปเปอร์โนวาจะสร้างรูปแบบความเข้มข้นธาตุที่ไม่ปกติในปริมาณสูง นอกจากนี้ ดาวแคระขาวที่ระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวาชนิดนี้ไม่ใช่แค่ระเบิดเป็นชิ้นๆ แต่ระเบิดจนถึงระดับอะตอม สสารของซุปเปอร์โนวาชนิดนี้จึงกระจายออกสู่อวกาศเป็นอะตอมก๊าซ ในการสำรวจข้อมูลดาวและผลจากแบบจำลอง ทีมไม่พบสิ่งใดที่จะสอดคล้องกับเคมีของไฮพาเทียได้เหมือนซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอ ชนิดที่จำเพาะ

     ข้อมูลหนึ่งเอและแบบจำลองทางทฤษฎีทั้งหมด ได้แสดงสัดส่วนของเหล็กเมื่อเทียบกับซิลิกอนและคัลเซียมในระดับที่สูงกว่าแบบจำลองซุปเปอร์โนวาชนิดที่สอง Kramers กล่าว โดยรวมแล้ว มีธาตุ 8 จาก 15 ธาตุที่ถูกวิเคราะห์ มีระดับปริมาณเทียบกับเหล็กตามที่ได้ทำนายไว้ ได้แก่ ซิลิกอน, กำมะถัน, คัลเซียม, ไทเทเนียม, วาเนเดียม, โครเมียม, มังกานีส เหล็กและนิกเกิล

     แต่ก็ยังมีอีก 6 จาก 15 ธาตุในไฮพาเทียที่มีสัดส่วนสูงกว่าที่ทำนายไว้จากแบบจำลองหนึ่งเอระหว่าง 10 ถึง 100 เท่า ได้แก่ อลูมินัม, ฟอสฟอรัส, คลอรีน, โพทัสเซียม, ทองแดงและสังกะสี Kramer กล่าวว่า เนื่องจากดาวแคระขาวก่อตัวมาจากดาวยักษ์แดง ไฮพาเทียก็น่าจะได้มรดกสัดส่วนธาตุทั้งหกนี้มาจากดาวยักษ์แดงด้วย ปรากฏการณ์ประหลาดนี้พบเห็นได้จากดาวแคระขาวในงานวิจัยอื่น

แหล่งข่าว phys.org : extraterrestrial stone brings first supernova clues to Earth
                iflscience.com : extraordinary meteorite is first earthly remnant of a rare type Ia supernova
                sciencealert.com : extraterrestrial stone found in Egypt may be first evidence on Earth of rare supernova