擁有164個(gè)質(zhì)子的超重元素，會(huì)藏在地球之外嗎？

序號(hào)164的穩(wěn)定元素，就在小行星的內(nèi)部？靈神星探測(cè)器揭開(kāi)迷霧

太陽(yáng)系的小行星也許含有未被發(fā)現(xiàn)的超重元素

幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，搜尋新元素是許多科學(xué)領(lǐng)域的主導(dǎo)動(dòng)機(jī)。

太空中在軌道上運(yùn)行的小行星的示意圖。（圖片來(lái)源：馬克·伽里克/科學(xué)照片圖書(shū)館，蓋蒂圖片社）

數(shù)個(gè)世紀(jì)以來(lái)，許多科學(xué)領(lǐng)域視搜尋新元素為主導(dǎo)動(dòng)機(jī)。對(duì)原子結(jié)構(gòu)的了解和原子核科學(xué)的發(fā)展，使科學(xué)家們達(dá)成了古代煉金術(shù)士的目標(biāo)——將一種元素變?yōu)榱硪环N。在過(guò)去的數(shù)十年間，來(lái)自、德國(guó)和俄羅斯的科學(xué)家們研究出了特別的工具，成功地將兩個(gè)原子核進(jìn)行融合，創(chuàng)造出新的超重元素。

元素周期表中最重的元素有118個(gè)質(zhì)子。 (圖片來(lái)源：霍姆丹/Shutterstock)

這些重元素通常并不穩(wěn)定。較重的元素含有更多的質(zhì)子，或者說(shuō)它們的原子核內(nèi)有著更多帶正電荷的粒子，有時(shí)科學(xué)家們能把它的數(shù)量增加到118個(gè)。擁有了如此多的質(zhì)子，原子核內(nèi)質(zhì)子之間的電磁排斥力就會(huì)超過(guò)將它們粘合在一起的強(qiáng)相互作用力?？茖W(xué)家們?cè)?jīng)預(yù)測(cè)過(guò)，擁有大約164個(gè)質(zhì)子的元素可能會(huì)有較長(zhǎng)的半衰期，甚至可能是穩(wěn)定的。他們將這種現(xiàn)象稱(chēng)之為“穩(wěn)定島”——在這種情況下，強(qiáng)相互作用力大到足以平衡所有的電斥力。

勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們進(jìn)行了測(cè)量超重元素的實(shí)驗(yàn)。（圖片來(lái)源：瑪瑞林·程，勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）

由于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)很難造出重元素，像我這樣的物理學(xué)家們開(kāi)始向四處搜尋這些元素，甚至是在地球之外尋找。為了縮小搜索范圍，我們需要知道是什么類(lèi)型的自然過(guò)程制造了這些元素。我們也需要知道它們的性質(zhì)，例如密度。

計(jì)算密度

我們的團(tuán)隊(duì)從一開(kāi)始起就想要探明這些超重元素的密度。這項(xiàng)性質(zhì)能告訴我們更多關(guān)于這些元素的原子核如何活動(dòng)的信息。同時(shí)，當(dāng)我們有了關(guān)于它們密度的概念之后，我們就能知道這些元素大概會(huì)藏在哪里。

為了了解這些元素的密度和其它化學(xué)性質(zhì)，我們的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了建模，用孤立且?guī)щ姷脑苼?lái)表現(xiàn)這些重元素的每一個(gè)原子。這種模型對(duì)大型原子很有用，尤其是那些以晶格結(jié)構(gòu)排列的金屬。我們首先將這些模型運(yùn)用在密度已知的原子上，并據(jù)此計(jì)算它們的化學(xué)性質(zhì)。 當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)它能勝任時(shí)，我們就用這個(gè)模型來(lái)計(jì)算有164個(gè)質(zhì)子的元素，以及其它穩(wěn)定島中的元素的密度。

基于我們的計(jì)算，我們預(yù)計(jì)原子序號(hào)大約為164的穩(wěn)定金屬的密度在36克每立方厘米至68克每立方厘米之間（21至39盎司/每立方英寸）。然而，在我們的計(jì)算之中，我們對(duì)原子核質(zhì)量進(jìn)行了較為保守的估算。真實(shí)的范圍可能要高出百分之40。

小行星與重元素

許多科學(xué)家相信，金與其它重元素會(huì)在小行星撞擊地球后沉積在行星表面。同樣的情況也可能在超重元素身上發(fā)生。然而，這些擁有超大質(zhì)量和密度的重元素會(huì)沉入地底，并在板塊向下俯沖的過(guò)程中被帶離地球表面。即使研究人員無(wú)法在地球表面找到超重元素，它們?nèi)匀豢赡艽嬖谟谀切┮苍S會(huì)把它們帶到這顆星球上的小行星之內(nèi)。

科學(xué)家們估計(jì)，一些小行星的密度比鋨（22.59g/cm3, 或13.06盎司每立方英寸），地球上發(fā)現(xiàn)的密度最大的元素還要大。這些天體之中最大的是小行星33，又名波呂許莫尼亞，計(jì)算出來(lái)的密度大約為75.3g/cm3 （或43.5盎司每立方英寸）。然而，測(cè)量遙遠(yuǎn)小行星的質(zhì)量與體積十分困難，因此這個(gè)密度數(shù)據(jù)也許并不準(zhǔn)確。

波呂許莫尼亞不是唯一一個(gè)密度極高的小行星。事實(shí)上，包括小行星在內(nèi)，有一整個(gè)族群的超重天體都有可能含有這些超重元素。在這之前，我曾經(jīng)將這個(gè)族群稱(chēng)為“極超致密物體（CUDO）”。2023年10月，在一項(xiàng)發(fā)表于《物理學(xué)期刊增刊》的研究中，我的團(tuán)隊(duì)提出，太陽(yáng)系內(nèi)軌道上運(yùn)行的一些極超致密物體的核心之中，可能仍然含有一部分這類(lèi)致密的重元素。它們的表面可能隨著時(shí)間的推移而沉積了普通的物質(zhì)，因此在遙遠(yuǎn)的觀測(cè)者看來(lái)非常普通。

那么，這些重元素是如何產(chǎn)生的？一些極端的天文事件，例如雙恒星之間的合并，可能產(chǎn)生制造這些穩(wěn)定超重元素所需的高熱和高密度環(huán)境。在這類(lèi)事件當(dāng)中產(chǎn)生的一部分超重物質(zhì)可能被保留在外部的小行星上。它們會(huì)被緊密地壓在小行星內(nèi)部，并一同在太陽(yáng)系內(nèi)運(yùn)行數(shù)十億年。

未來(lái)前景

航天局的“蓋亞”衛(wèi)星任務(wù)旨在為天空中的每一個(gè)物體建立最大、最精準(zhǔn)的三維地圖。研究人員可以根據(jù)這些極其精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果來(lái)研究這些小行星的運(yùn)動(dòng)，由此得知它們中哪一些可能擁有不同尋常的高密度。

一些太空探測(cè)任務(wù)可以從小行星表面收集物質(zhì)，帶回地球進(jìn)行研究。國(guó)家航空局(NASA)和國(guó)家太空局(JAXA)都曾經(jīng)成功定向了密度較低的近地小行星。就在這個(gè)月之內(nèi)，NASA的奧西里斯-REx 探測(cè)器就帶回了樣本。即便分析樣本的工作才剛剛開(kāi)始，想要在其中找到包含上億年來(lái)沉積的超重元素的塵埃，希望非常渺茫。

“靈神星”號(hào)探測(cè)器已從地球出發(fā)。它會(huì)利用火星的引力場(chǎng)來(lái)使自己接近那顆小行星。在那之后，它將圍繞靈神星運(yùn)行并收集數(shù)據(jù)。(圖片來(lái)源: NASA/噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室)

將一份極超致密的塵土和巖石樣本帶回地球便已足夠。NASA于2023年10月份發(fā)射的“靈神星”探測(cè)器將會(huì)飛向同名的、富含金屬的小行星，并帶回更可能含有超重元素的樣本。更多類(lèi)似的小行星探測(cè)任務(wù)會(huì)幫助科學(xué)家們更好地理解太陽(yáng)系內(nèi)運(yùn)行的小行星們的性質(zhì)。

對(duì)小行星們的更多認(rèn)識(shí)和對(duì)超重元素潛在來(lái)源的探尋，將有助于科學(xué)家們繼續(xù)完成這場(chǎng)持續(xù)了數(shù)個(gè)世紀(jì)的任務(wù)：描述構(gòu)成了宇宙的物質(zhì)，并更好地理解太陽(yáng)系內(nèi)物體的形成過(guò)程。

伊萬(wàn)·拉福爾基，一名學(xué)習(xí)物理和數(shù)學(xué)的本科學(xué)生，是這項(xiàng)研究的第一作者，并和威爾·普瑞斯，一名物理研究生一起幫助撰寫(xiě)本文。

BY:Johann Rafelski

FY: 奈亞拉托離譜

如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請(qǐng)?jiān)谧髌钒l(fā)布后聯(lián)系作者刪除

轉(zhuǎn)載還請(qǐng)取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處