У складі астероїдів запідозрили невідомі типи “надщільної” матерії

Щільність деяких великих астероїдів може в рази перевищувати щільність будь-яких відомих на Землі елементів. Це має вказувати на те, що “космічне каміння”, принаймні частково, може складатися з невідомих типів дуже щільної матерії, які не можна вивчити за допомогою “стандартної моделі фізики”. Автори нового дослідження спробували пояснити надзвичайно високу щільність одного з таких великих астероїдів.

У середині XX століття радянський фізик-ядерник Георгій Фльоров зі своїми підопічними зміг синтезувати в лабораторії низку надважких елементів, включно з унунквадієм з атомним номером (Z) 114, згодом його перейменували на фльоровій на честь фізика.

Під атомним номером (порядковий номер хімічного елемента в періодичній системі елементів таблиці Менделєєва) розуміють кількість позитивних елементарних зарядів в атомному ядрі. На сьогодні в періодичній таблиці налічується 118 елементів, у природі трапляється 92 з них, інші 26 отримано штучно. Що вищий атомний номер елемента, то він “важчий”.

Радянські вчені припустили, що всі елементи, отримані в лабораторії, мали колись існувати на Землі, але з плином часу вони розпалися. Дійсно, їхні сліди, нехай і незначні, знаходять на нашій планеті. Наприклад, сліди нептунію (Z=93) виявлено в уранових рудах – це продукти ядерних реакцій під дією нейтронів космічного випромінювання і спонтанного поділу урану.

Фльоров висунув гіпотезу, що в природі має існувати “острів стабільності надважких ядер” – група надважких елементів, що перебуває за межами вже відкритої частини таблиці Менделєєва.

Сьогодні фізики поділяють надважкі елементи на дві групи:

• З атомним номером від 105 до 118, які були отримані штучно, але водночас радіоактивні й нестабільні, з дуже коротким періодом напіврозпаду, а отже, вони становлять лише академічний і дослідницький інтерес;
• Елементи “острова стабільності” з атомним номером понад 118. Їх поки що не спостерігали в природі, але для деяких із них було передбачено властивості. Зокрема, розрахунки показують, що можуть існувати елементи до Z=164, при цьому вони можуть залишатися стабільними протягом довгого часу.

Оскільки густина елементів, як правило, зростає зі збільшенням їхньої атомної маси, можна очікувати, що елементи “острова стабільності” будуть надзвичайно густими.

На Землі найщільніший стабільний елемент – метал осмій (Z=76) – 22,59 г/см3, його густина майже вдвічі більша, ніж внутрішнього ядра Землі. Однак у космосі трапляються об’єкти з густиною елементів набагато вищою, ніж в осмію, – так звані компактні надщільні тіла (compact ultradense objects, CUDO).

Один із яскравих прикладів таких об’єктів – астероїд Головного пояса (33) Полігімнія: згідно з розрахунками, його щільність становить близько 75 г/см3. Група американських фізиків з Аризонського університету спробувала пояснити цю особливість астероїда. Вчені поставили собі за мету розрахувати атомну структуру і властивості надважких елементів Полігімнії (близько значення Z=164), використовуючи модель атома Томаса – Фермі. Результати роботи опубліковані в The European Physical Journal Plus (тут можна ознайомитися з її повним текстом).

“Ми обрали цю модель, незважаючи на її неточність, за те, що вона дає змогу систематично вивчати атомну структуру потенційних надважких хімічних елементів, яких немає у відомій періодичній таблиці. Крім того, за її допомогою можна досліджувати безліч атомів за короткий час”, – пояснив провідний автор дослідження Ян Рафельскі.

Графік, що показує щільності елементів з атомним номером від 1 до 100. Червоними трикутниками позначені важкі метали. Червоний трикутник у правому верхньому кутку – осмій (Z=76), найщільніший стабільний елемент на Землі / © LaForge, et al.

Розрахунки фізиків показали, що елементи, які мають атомні номери близькі до 164, можуть бути стабільними і при цьому їхня густина може становити від 36,0 до 68,4 г/см3 – значення дуже близьке до значення густини, отриманого під час вивчення Полігімнії (75 г/см3).

Автори зробили висновок, що на астероїді можуть перебувати надважкі елементи “острова стабільності”. Якщо оцінки густини вірні, то, найімовірніше, Полігімнія складається з невідомих на сьогодні надважких ядер елементів, які поки що неможливо вивчити на Землі – принаймні, при сучасному рівні можливостей у сфері отримання атомних ядер.

Варто зазначити, що на питання про “острів стабільності” є й інша точка зору. Низка вчених вважають, що такі елементи в жодному разі не можуть бути достатньо довгоживучими, а виявлення астероїдів з аномальною щільністю (типу Полігімнії) може пояснюватися помилками в астрономічних спостереженнях. Остаточно прояснити питання могли б тільки дослідницькі місії до таких тіл.