На протяжении веков поиск новых элементов был движущей силой многих научных дисциплин. Понимание структуры атома и развитие ядерной науки позволило ученым достичь старой цели алхимиков — превратить один элемент в другой.
За последние несколько десятилетий ученые США, Германии и России придумали, как с помощью специальных инструментов объединить два атомных ядра и создать новые сверхтяжелые элементы.
Эти тяжелые элементы обычно нестабильны. Более тяжелые элементы имеют больше протонов или положительно заряженных частиц в ядре; некоторые из созданных учеными их насчитывают до 118. При таком количестве протонов электромагнитные силы отталкивания между протонами в атомных ядрах подавляют ядерную силу притяжения, которая удерживает ядро вместе.
Ученые уже давно предсказывали, что элементы, содержащие около 164 протонов, могут иметь относительно длительный период полураспада или даже быть стабильными. Они называют это «островом стабильности» — здесь ядерная сила притяжения достаточно сильна, чтобы уравновесить любое электромагнитное отталкивание.
Поскольку тяжелые элементы сложно получить в лаборатории, физики вроде меня искали их повсюду, даже за пределами Земли. Чтобы сузить поиск, нам нужно знать, какие природные процессы могут производить эти элементы. Нам также необходимо знать, какими свойствами они обладают, например, плотностью массы.
Расчет плотности
С самого начала моя команда хотела выяснить массовую плотность этих сверхтяжелых элементов. Это свойство могло бы рассказать нам больше о том, как ведут себя атомные ядра этих элементов. И как только мы получим представление об их плотности, мы сможем лучше понять, где эти элементы могут скрываться.
Чтобы выяснить массовую плотность и другие химические свойства этих элементов, моя исследовательская группа использовала модель, которая представляет атом каждого из этих тяжелых элементов как единое заряженное облако. Эта модель хорошо работает для крупных атомов, особенно металлов, расположенных в решетчатой структуре.
Впервые мы применили эту модель к атомам с известной плотностью и рассчитали их химические свойства. Узнав, что это работает, мы использовали модель для расчета плотности элементов со 164 протонами и других элементов на этом острове стабильности.
Основываясь на наших расчетах, мы ожидаем, что стабильные металлы с атомными номерами около 164 будут иметь плотность от 36 до 68 г/см3 (от 21 до 39 унций/дюйм3). Однако в наших расчетах мы использовали консервативное предположение о массе атомных ядер. Вполне возможно, что реальный диапазон выше на 40%.
Астероиды и тяжелые элементы
Многие учёные полагают, что золото и другие тяжёлые металлы отложились на поверхности Земли после столкновения с планетой астероидов.
Космический корабль «Психея» покинул Землю. Он будет использовать гравитационное поле Марса, чтобы приблизиться к астероиду. Затем он выйдет на орбиту астероида и соберет данные. Фото: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.
То же самое могло бы произойти и с этими сверхтяжелыми элементами, но сверхмассивные и плотные тяжелые элементы погружаются в землю и удаляются с поверхности Земли в результате субдукции тектонических плит. Однако, хотя исследователи, возможно, и не найдут сверхтяжелые элементы на поверхности Земли, они все равно могут находиться в астероидах, подобных тем, которые могли принести их на эту планету.
Ученые подсчитали, что плотность массы некоторых астероидов превышает плотность осмия (22,59 г/см3, 13,06 унций/дюйм3), самого плотного элемента, обнаруженного на Земле.
Самый крупный из этих объектов — астероид 33, получивший прозвище Полигимния и имеющий расчетную плотность 75,3 г/см3 (43,5 унции/дюйм3). Но эта плотность может быть не совсем верной, поскольку измерить массу и объем далеких астероидов довольно сложно.
Полигимния — не единственный плотный астероид. На самом деле существует целый класс сверхтяжелых объектов, включая астероиды, которые могут содержать эти сверхтяжелые элементы. Некоторое время назад я ввел для этого класса название «Компактные сверхплотные объекты» или CUDO.
В исследовании, опубликованном в октябре 2023 года в European Physical Journal Plus, моя команда предположила, что некоторые из CUDO, вращающихся на орбите Солнечной системы, все еще могут содержать некоторые из этих плотных тяжелых элементов в своих ядрах. Их поверхности со временем накопили бы нормальную материю и казались бы нормальными для удаленного наблюдателя.
Так как же производятся эти тяжелые элементы? Некоторые экстремальные астрономические события, такие как слияние двойных звезд, могут быть достаточно горячими и плотными, чтобы производить стабильные сверхтяжелые элементы.
Часть сверхтяжелого материала могла бы затем остаться на борту астероидов, созданных в результате этих событий. Они могли бы оставаться на этих астероидах, которые вращаются вокруг Солнечной системы в течение миллиардов лет.
Взгляд в будущее
Миссия Европейского космического агентства Gaia направлена на создание самой большой и точной трехмерной карты всего, что находится в небе. Исследователи могли бы использовать эти чрезвычайно точные результаты для изучения движения астероидов и выяснить, какие из них могут иметь необычно большую плотность.
Проводятся космические миссии по сбору материала с поверхностей астероидов и его анализу на Земле. И НАСА, и японское государственное космическое агентство JAXA успешно нацелились на околоземные астероиды низкой плотности. Буквально в этом месяце миссия НАСА OSIRIS-REx привезла образец. Хотя анализ образца только начинается, вероятность того, что он может содержать пыль, содержащую сверхтяжелые элементы, накопленную за миллиарды лет, очень мала.
Одного образца пыли и горных пород, доставленного на Землю, было бы достаточно. Миссия НАСА «Психея», стартовавшая в октябре 2023 года, полетит и возьмет образцы богатого металлами астероида, который с большей вероятностью может содержать сверхтяжелые элементы. Дополнительные миссии по астероидам, подобные этой, помогут ученым лучше понять свойства астероидов, вращающихся по орбитам Солнечной системы.
Узнать больше об астероидах и изучить потенциальные источники сверхтяжелых элементов поможет ученым продолжить вековой поиск характеристик материи, из которой состоит Вселенная, и лучше понять, как формировались объекты в Солнечной системе.
Информация от: Разговором
