Asteroidy mogą skrywać pierwiastki spoza układu okresowego

W 2012 r. Benoît Carry oszacował masę asteroidy 33 Polyhymnia na podstawie jej wpływu grawitacyjnego na inne ciała Układu Słonecznego. Jednakże uzyskane wyniki wprowadziły go w zdumienie. Asteroida wydawała się za gęsta, biorąc pod uwagę jej rozmiary. To wskazywało na błąd w obliczeniach lub na nieznaną, ultragęstą materię zbudowaną z nieznanych na Ziemi superciężkich pierwiastków.

Superciężkie pierwiastki to takie, które mają dużą liczbę protonów w jądrze. Liczbę tę oznacza się literą Z i jest to tzw. liczba atomowa. Kilka lat temu uzupełniono układ okresowy o cztery nowe pierwiastki. Najcięższy z nowych pierwiastków i w ogóle najcięższy pierwiastek układzie okresowym, nazwany oganesson, ma Z=118. Nazwano go na cześć akademika i odkrywcy Yuriego Oganessiana. Uzyskany został po raz pierwszy w 2002 roku w wyniku bombardowania kalifornu-249 atomami wapnia-48.

Choć nic cięższego od oganessona nie zaobserwowano, to asteroidy podobne do 33 Polyhymnia mogą właśnie takie pierwiastki zawierać. Jan Rafelski i jego zespół z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Arizony w Tucson w USA sugerują, że mogą to być pierwiastki superciężkie o liczbie atomowej wyższej niż obecna granica układu okresowego. Modelowali oni właściwości takich potencjalnych pierwiastków, korzystając z modelu struktury atomu Thomasa-Fermiego, koncentrując się szczególnie na tzw. wyspie stabilności jądrowej przewidywanej dla Z=164. Praca ta została opublikowana w "EPJ Plus" (DOI: 10.1140/epjp/s13360-023-04454-8).

Pierwiastki superciężkie definiuje się jako te, które mają Z powyżej 104. Te o liczbie atomowej pomiędzy 105 a 118 zostały wytworzone eksperymentalnie, ale są niestabilne i mają bardzo krótkie okresy półtrwania, dlatego mają jedynie znaczenie akademickie i badawcze. Jednak prace teoretyczne sugerują, że wokół liczby atomowej 164 istnieje wspomniana już wyspa stabilności. Takie superciężkie pierwiastki powinny być bardziej stabilne i utrzymywać się znacznie dłużej.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Gęstość pierwiastków rośnie wraz z ich masą atomową, można zatem oczekiwać, że superciężkie pierwiastki będą też niezwykle gęste. Najgęstszym stabilnym pierwiastkiem jest rzadki osmium (Z=76), a jego gęstość wynosi ok. 22,59 g/cm³ i jest około dwukrotnie większa niż w przypadku ołowiu. Obiekty astronomiczne o większej gęstości są określane mianem ultragęstych zwartych obiektów (z j. ang. compact ultradense objects - CUDO).

Najbardziej znanym CUDO jest asteroida 33 Polyhymnia, która znajduje się w głównym pasie planetoid pomiędzy Marsem a Jowiszem. Jej gęstość obliczono na około 75 g/cm3. Według badaczy z grupy Rafelskiego, 33 Polyhymnia i podobne obiekty mogą składać się częściowo z pierwiastków powyżej Z=118.

Rafelski wraz ze współpracownikami, korzystając z modelu struktury atomu Thomasa-Fermiego, podjął się próby scharakteryzowania potencjalnych superciężkich pierwiastków. Ich obliczenia potwierdziły przewidywania, że atomy zawierające około 164 protony w jądrze będą prawdopodobnie stabilne. Co więcej, wyniki zasugerowały, że stabilny pierwiastek o Z=164 będzie miał gęstość pomiędzy 36,0 a 68,4 g/cm3. To zakres, który zbliża się do wartości zmierzonej dla asteroidy 33 Polyhymnia.

"Celem tego badania było ustalenie, czy mogą istnieć CUDO o ekstremalnej gęstości bez potrzeby mieszania w sprawę przywoływanej zwykle w podobnych przypadkach dziwnej lub ciemnej materii" – napisali badacze w publikacji. "Nasze wyniki dotyczące gęstości masy pozwalają nam postawić hipotezę, że jeśli superciężkie pierwiastki są wystarczająco stabilne, mogą istnieć w jądrach gęstych asteroid, takich jak 33 Polyhymnia" – dodał zespół.

Źródło: Springer, Science Alert, IFLScience, fot. RawPixel/ CC0. Na zdjęciu składająca się w dużej mierze z metali asteroida Psyche.