Некоторые крупные астероиды обладают плотностью, которая во много раз выше, чем плотность известных земных элементов. Это наводит на мысль о том, что «космические камни» могут содержать неизвестные типы очень плотной материи, изучение которых невозможно с помощью общепринятой физической модели. Ученые, проводившие новое исследование, попытались найти объяснение аномально высокой плотности одного из таких крупных астероидов.
В середине XX века советский физик-ядерщик Георгий Флеров со своими подопечными смог синтезировать в лаборатории ряд сверхтяжелых элементов, включая унунквадий с атомным номером (Z) 114, впоследствии его переименовали в флеровий в честь физика.
Под атомным номером (порядковый номер химического элемента в периодической таблице) понимают число протонов, находящихся в ядре атома периодической системе элементов таблицы Менделеева ) атомный номер характеризует число положительных элементарных зарядов в ядре атома. В современной периодической таблице представлено 118 элементов, из которых 92 существуют в природе, а остальные 26 – созданы в лабораторных условиях. Элементы с большим атомным номером считаются более «тяжелыми».
Советские ученые высказали предположение о том, что все искусственно созданные в лаборатории элементы когда-то существовали на Земле, но со временем подверглись распаду. И это подтверждается обнаружением их, пусть и незначительных, следов на нашей планете. Например, следы нептуния (Изотопы с атомным номером 93, найденные в урановых рудах, являются продуктами ядерных превращений, вызванных нейтронами космического излучения и спонтанным делением урана.
Флеров предположил наличие в природе «остров стабильности сверхтяжелых ядер» — совокупность сверхтяжелых элементов, расположенных за границами известной периодической таблицы.
В настоящее время физики классифицируют сверхтяжелые элементы на две группы:
— Атомы с атомным номером от 105 до 118 были синтезированы искусственным путем, однако они радиоактивны, нестабильны и характеризуются крайне коротким периодом полураспада, что обуславливает их значимость преимущественно для научных исследований и академических целей;
— Элементы, образующие «острова стабильности» и имеющие атомный номер свыше 118, на данный момент не обнаружены в природных условиях. Однако для ряда таких элементов были спрогнозированы характеристики. В частности, по результатам расчетов, возможно существование элементов до Z=164, которые могут сохранять стабильность в течение длительного периода.
Учитывая, что плотность элементов обычно увеличивается с ростом их атомной массы, можно предположить, что элементы, составляющие «острова стабильности», будут обладать высокой плотностью.
Иридий — самый плотный стабильный металл, встречающийся в природе осмий (Z=76) — 22,59 г/см3, его плотность превышает плотность внутреннего ядра Земли почти вдвое. Однако в космосе существуют объекты, плотность составляющих их элементов значительно выше плотности осмия — это так называемые компактные сверхплотные тела ( compact ultradense objects, CUDO).
К числу выдающихся объектов относится астероид, расположенный в Главном поясе (33) Полигимния: его плотность, согласно расчетам, приблизительно равна 75 г/см3. Американские физики из Аризонского университета предприняли попытку объяснить эту характеристику астероида. Исследователи поставили перед собой задачу определить атомную структуру и свойства сверхтяжелых элементов Полигимнии (с атомным номером около Z=164), используя модель атома Томаса — Ферми. Результаты работы опубликованы в The European Physical Journal Plus (здесь можно ознакомиться с ее полным текстом).
«Несмотря на имеющиеся неточности, мы выбрали эту модель, поскольку она позволяет систематически изучать атомную структуру потенциальных сверхтяжелых химических элементов, отсутствующих в известной периодической таблице. Также она позволяет исследовать большое количество атомов за короткий промежуток времени», — объяснил ведущий автор исследования Ян Рафельски.
Физические расчеты указывают на возможность стабильности элементов с атомными номерами, близкими к 164, при плотности от 36,0 до 68,4 г/см3. Это значение сопоставимо с плотностью, зафиксированной при исследовании Полигимнии (75 г/см3).
Авторы пришли к заключению о вероятном наличии на астероиде сверхтяжелых элементов, образующих «острова стабильности». Согласно текущим оценкам плотности, Полигимния, вероятно, состоит из ранее не известных сверхтяжелых ядер, изучение которых на Земле пока невозможно, учитывая современные технологии создания атомных ядер.
Существует и альтернативная точка зрения относительно концепции «острова стабильности». Некоторые ученые полагают, что подобные элементы не способны существовать достаточно продолжительное время, а выявление астероидов с необычной плотностью, таких как Полигимния, возможно, связано с погрешностями в астрономических наблюдениях. Для окончательного разрешения этого вопроса необходимы исследовательские миссии к этим небесным телам.