Астероїди Сонячної системи можуть містити невідомі надважкі елементи

Протягом століть  пошуки нових елементів  були рушійною силою багатьох наукових дисциплін. Розуміння будови атома та розвиток ядерної науки дозволили вченим досягти старої мети алхіміків  –  перетворити  один елемент на інший. За останні кілька десятиліть вчені зі Сполучених Штатів, Німеччини та Росії придумали, як за допомогою спеціальних інструментів  об’єднати два атомних ядра та створити нові,  надважкі елементи.

Ці важкі елементи зазвичай нестабільні. Важчі елементи  мають більше протонів або позитивно заряджених частинок у ядрі; деякі, створені вченими,  мають до 118. З такою кількістю протонів електромагнітні сили відштовхування між протонами в атомних ядрах переважають привабливу ядерну силу, яка утримує ядро ​​разом. Вчені  давно передбачали, що елементи з приблизно 164 протонами можуть мати відносно довгий  період напіврозпаду або навіть бути стабільними. Вони називають це «острів стабільності» – тут приваблива ядерна сила достатньо сильна, щоб урівноважити будь-яке електромагнітне відштовхування.

Оскільки важкі елементи важко виготовити в лабораторії,  такі фізики, як я,  шукали ці елементи всюди,  навіть за межами Землі. Щоб звузити пошук, нам потрібно знати, які природні процеси можуть виробляти ці елементи. Нам також потрібно знати, якими властивостями вони володіють, як-от їх масова щільність.

Розрахунок щільності

З самого початку моя команда хотіла визначити масову щільність цих надважких елементів. Ця властивість може розповісти нам більше про те, як поводяться атомні ядра цих елементів. І як тільки ми отримаємо уявлення про їхню щільність, ми зможемо краще зрозуміти, де можуть ховатися ці елементи.

Щоб визначити масову щільність та інші  хімічні властивості  цих елементів, моя дослідницька група використала модель, яка представляє атом кожного з цих важких елементів як єдину заряджену хмару. Ця модель добре працює для великих атомів, особливо металів, які розташовані в решітчастій структурі.

Спочатку ми  застосували цю модель  до атомів із відомою густиною та розрахували їхні хімічні властивості. Коли ми дізналися, що це спрацювало, ми використали модель для розрахунку густини елементів зі 164 протонами та інших елементів на цьому острові стабільності.

Виходячи з наших розрахунків, ми очікуємо, що стабільні метали з атомним номером близько 164 матимуть щільність від 36 до 68 г/см3 (21-39 унцій/дюйм3). Однак у наших розрахунках ми використовували консервативне припущення щодо маси атомних ядер. Можливо, що фактичний діапазон на 40% вищий.

Астероїди та важкі елементи

Багато вчених  вважають, що золото  та інші важкі метали осіли на поверхні Землі після зіткнення астероїдів з планетою. Те ж саме могло статися з цими надважкими елементами, але надважкі щільні елементи надважкої маси занурюються в землю й усуваються з поверхні Землі шляхом субдукції  тектонічних плит. Однак, хоча дослідники можуть не знайти надважкі елементи на поверхні Землі, вони все ще можуть бути в астероїдах, подібних до тих, які могли принести їх на цю планету.

Вчені підрахували, що масова щільність деяких астероїдів перевищує густину  осмію (22,59 г/см3, 13,06 унцій/дюйм3), найщільнішого елемента, знайденого на Землі. Найбільшим із цих об’єктів є астероїд 33, який отримав  прізвисько Полігімнія  та має розрахункову щільність 75,3 г/см3 (43,5 унції/дюйм3). Але ця щільність може бути не зовсім правильною, оскільки досить важко виміряти масу та об’єм далеких астероїдів.

Полігімнія — не єдиний щільний астероїд. Насправді існує цілий клас надважких об’єктів, включаючи астероїди, які можуть містити ці надважкі елементи. Деякий час тому я представив назву  Compact Ultradense Objects, або CUDO, для цього класу.

У дослідженні, опублікованому в жовтні 2023 року в  European Physical Journal Plus, моя команда припустила, що деякі з CUDO, що обертаються в Сонячній системі, все ще можуть містити деякі з цих  щільних, важких елементів  у своїх ядрах. Їхні поверхні з часом накопичили б звичайну речовину і виглядали б нормальними для віддаленого спостерігача.

Отже, як  виробляються ці важкі елементи? Деякі екстремальні астрономічні події, такі як  злиття подвійних зірок,  можуть бути досить гарячими та щільними, щоб утворювати стабільні надважкі елементи. Частина надважкого матеріалу може залишитися на борту астероїдів, створених у цих подіях. Вони можуть залишатися упакованими в цих астероїдах, які обертаються навколо Сонячної системи мільярди років.

Дивлячись у майбутнє

Місія Gaia Європейського  космічного агентства  має на меті створити найбільшу та найточнішу тривимірну карту всього неба. Дослідники могли б використати ці надзвичайно точні результати, щоб  вивчити рух астероїдів  і визначити, які з них можуть мати надзвичайно велику щільність.

Космічні місії проводяться для збору матеріалу з поверхні астероїдів і аналізу його на Землі. І NASA, і  японське державне космічне агентство JAXA  успішно націлилися на навколоземні астероїди низької щільності. Лише цього місяця місія NASA  OSIRIS-REx  повернула зразок. Хоча аналіз зразків тільки починається, існує дуже мала ймовірність, що він може містити пил, що містить надважкі елементи, накопичені протягом мільярдів років.

Було б достатньо одного зразка пилу та каміння, доставленого на Землю. Місія NASA Psyche, яка стартувала в жовтні 2023 року, здійснить політ до  багатого на метал астероїда  з більшою ймовірністю приховування надважких елементів і візьме його зразки. Більше подібних астероїдних місій допоможе вченим краще зрозуміти властивості астероїдів, що обертаються в Сонячній системі.