Наблюденията показват, че някои близки астероиди неочаквано имат плътност, надвишаваща плътността на ядрото на големите планети в Слънчевата система. Възможно ли е, да са съставени от елементи, по-тежки от най-тежките в периодичната система?

Най-плътният естествено срещащ се елемент в периодичната таблица е металът осмий. При стайна температура той образува твърдо вещество с плътност от 22.59 г/см³ (22.59 т/м³), което е почти два пъти плътността на вътрешното ядро ​​на Земята и почти толкова плътно, колкото ядрото на Юпитер.

Илюстрация на художник на металния астероид Психея, който предлага уникален прозорец към тежките елементи, формирали планетите. Мисията на НАСА Psyche стартира през 2023 г. и ще пристигне до астероида Психея (Psyche), който обикаля около Слънцето между Марс и Юпитер, през 2026 г. Космическият кораб, също наречен Psyche (Психея), ще прекара 21 месеца в орбита около астероида, като го картографира и изучава свойствата му.

Но има някои обекти в Слънчевата система, които изглеждат много по-плътни от осмия и неочаквано, това са астероидите, които нямат толкова маса като планетите, за да компресират минералите в свръхплътно състояние.

Това кара учените да спекулират, че има естествено срещащи се, стабилни елементи извън периодичната таблица – дори отвъд нестабилните, радиоактивни свръхтежки елементи между атомни номера 105 и 118, които са били наблюдавани само в лабораторни условия.

Не е известно дали елементи с по-голям номер от 118 ще са стабилни - такива със сигурност никога не са били наблюдавани, нито в природата, нито в лабораторни условия.

Но има теоретично проучване предполага, че има остров на стабилност около атомен номер 164 , където свръхтежките елементи не биха били толкова податливи на радиоактивен разпад и могат да останат наоколо, поне за известно време.

Тъй като се очаква тези по-тежки елементи да бъдат по-плътни, те биха могли да обяснят странното тяло от Големия астероиден пояс 33 Полихимния (33 Polyhymnia), което е с размери приблизително 50 - 60 км с плътност 75.28 т/м³, класифицирайки го като потенциален компактен ултраплътен обект (CUDO - compact ultradense object).

Възможно е тази стойност да е измерена погрешно, дори астрономът, направил това изчисление, признава, че е нереалистична.

Но физиците Еван ЛаФордж (Evan LaForge), Уил Прайс (Will Price) и Йохан Рафелски (Johann Rafelski) от Университета в Аризона допускат, че такава плътност е поне физически правдоподобна и решават да проверят това.

Те базират работата си върху модел на атома, наречен модел на Томас-Ферми, система статистически модели, удобна за практически изчисления на структурата на многочастични квантови системи, за които точното решаване на уравнението на Шрьодингер е практически непосилна задача дори за съвременните компютри, ако броят на частиците в системата е повече от няколкостотин.

В тази рамка ЛаФордж, Прайс и Рафелски изследват атомната структура на хипотетични свръхтежки елементи.

"Избрахме този модел, въпреки относителната му неточност, защото позволява систематично изследване на атомното поведение като функция на атомния номер извън известната периодична таблица", разказва Рафелски. "Допълнително съображение е, че това също ни даде възможност да изследваме много атоми за краткото време."

Техните изчисления съвпадат с острова на стабилност, за който преди се предполагаше, че се намира на атомен номер 164. И те показват, че диапазонът на плътност на този елемент е между 36 и 68.4 г/см³ (т/м³). Това е близо до изчислената висока плътност за 33 Полихимния.

Това не означава, че астероидът 33 Полихимния е толкова свръхплътен. Това просто означава, че може да има обяснение за това (вероятно погрешно) измерване на свръхплътността, което не изисква някаква мистериозна материя.

"Целта на това проучване бе да се определи дали CUDO с екстремна плътност на масата могат да бъдат постигнати без необходимостта от обикновено използваната странна или тъмна материя", пишат изследователите в своята статия.

"Направихме това, докато изследваме две различни ядрени системи, използвайки релативистичния модел на Томас-Ферми. От изследването както на стандартните ядра, така и на алфа материята, е ясно, че и двата типа ядрена материя биха могли да обяснят плътността, наблюдавана в CUDO като при астероид 33 Полихимния."

Работата, казват те, демонстрира полезността на модела на Томас-Ферми за изследване на свойствата на хипотетични свръхтежки елементи и осигурява основата за по-стабилни техни анализи.

Справка: LaForge, E., Price, W. & Rafelski, J. Superheavy elements and ultradense matter. Eur. Phys. J. Plus138, 812 (2023). https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-023-04454-8

Asteroids May Be Hiding Never-Seen Elements From Beyond The Periodic Table, Science Аalert