Плотность некоторых астероидов превышает плотность всех известных на Земле элементов. Это позволяет предположить, что они, по крайней мере, частично состоят из неизвестных типов “сверхплотной” материи, которую невозможно изучить с помощью традиционной физики.
Ян Рафельски и его сотрудники с физического факультета Аризонского университета (г. Тусон, США) предполагают, что в их состав могут входить сверхтяжелые элементы с атомным номером (Z), превышающим предел, установленный в современной периодической таблице.
Они смоделировали свойства таких элементов с помощью модели атомной структуры Томаса-Ферми, сосредоточившись, в частности, на предполагаемом “острове ядерной стабильности” при Z=164 и около него, и распространив свой метод на более экзотические типы сверхплотных материалов. Эта работа опубликована в журнале The European Physical Journal Plus.
К сверхтяжелым элементам относят элементы с очень большим числом протонов (высоким атомным номером), обычно считающиеся элементами с Z>104. Их можно разделить на две группы. Элементы с атомными номерами от 105 до 118 были получены экспериментально, но они радиоактивны и нестабильны, с очень коротким периодом полураспада и поэтому представляют только академический и исследовательский интерес.
Элементы с Z>118 пока не наблюдались, но для некоторых из них свойства уже предсказаны. В частности, предсказан “остров ядерной стабильности” при Z=164. А поскольку в целом плотность элементов имеет тенденцию к увеличению с ростом их атомной массы, можно ожидать, что эти сверхтяжелые элементы будут чрезвычайно плотными.
Самым плотным стабильным элементом является редкий платиноидный металл осмий (Z=76), плотность которого, равная 22,59 г/см3 , примерно в два раза превышает плотность свинца. Объекты – как правило, астрономические тела – с плотностью, превышающей эту величину, считаются “компактными сверхплотными объектами” или CUDO.
Наиболее экстремальным из известных примеров является астероид 33 Полигимния (Polyhymnia), расположенный в главном поясе между Марсом и Юпитером; его плотность, по расчетам, составляет около 75 г/см3. Рафельски предполагает, что Полигимния и подобные ей объекты могут состоять из элементов выше Z=118, возможно, с другими типами сверхплотного вещества.
Рафельски и двое его коллег-студентов, Эван Лафорж и Уилл Прайс, задались целью рассчитать микроскопическую атомную структуру и свойства сверхтяжелых элементов, используя релятивистскую модель атома Томаса-Ферми.
“Мы выбрали эту модель, несмотря на ее относительную неточность, потому что она позволяет систематически исследовать поведение атомов в зависимости от атомного номера за пределами известной периодической таблицы”, – поясняет Рафельски. “Кроме того, это позволило нам исследовать большое количество атомов за то короткое время, которое было доступно Эвану Лафоргу, нашему блестящему студенту”.
Расчеты исследователей подтвердили предсказание о том, что атомы, имеющие в ядре около 164 протонов, скорее всего, будут стабильными, и, кроме того, предположили, что стабильный элемент с Z=164 будет иметь плотность от 36,0 до 68,4 г/см3 – диапазон, близкий к ожидаемому значению для астероида Polyhymnia.
Поскольку в модели в качестве одного из исходных данных используется распределение заряда в атомном ядре, ее можно расширить и смоделировать еще более экзотические вещества, в том числе альфа-материю – конденсат, полностью состоящий из изолированных ядер гелия (альфа-частиц).
Идея о том, что некоторые астероиды могут состоять из материалов, неизвестных на Земле, еще больше мотивирует потенциальных “космических шахтеров”, планирующих добывать драгоценные металлы, в том числе золото, которые, как ожидается, будут находиться вблизи поверхности на других астероидах.
“Все сверхтяжелые элементы – как крайне нестабильные, так и просто еще не обнаруженные – были объединены в группу “Унобтаниум” (“недостижимый”, “недоступный”; шуточный перевод – недостатий, недостаниум), – заключает Рафельски. “Идея о том, что некоторые из них могут быть достаточно стабильными, чтобы их можно было добыть в пределах нашей Солнечной системы, является очень захватывающей”.
Читайте также: Компьютерный алгоритм нашел потенциально опасный астероид, пропущенный NASA