Od alchymistů k astrofyzikům: Skrývají asteroidy supertěžká tajemství?

Vědci se domnívají, že asteroidy by mohly obsahovat supertěžké prvky, což by mohlo způsobit revoluci v našem chápání atomové struktury. Po staletí bylo hledání nových prvků hnací silou v mnoha vědeckých disciplínách. Pochopení struktury atomu a rozvoj jaderné vědy umožnily vědcům splnit starý cíl alchymistů – přeměnit jeden prvek v jiný.

Během několika posledních desetiletí vědci ve Spojených státech, Německu a Rusku přišli na to, jak spojit dvě atomová jádra a vytvořit nové, supertěžké prvky. Tyto těžké prvky obvykle nejsou stabilní. Těžší prvky mají více protonů nebo kladně nabitých částic v jádře; některé, které vědci vytvořili, jich mají až 118. S takovým množstvím protonů překonají elektromagnetické odpudivé síly mezi protony v atomových jádrech přitažlivou jadernou sílu, která drží jádro pohromadě.

Vědci již dlouhou dobu předpovídají, že prvky s přibližně 164 protony by mohly mít relativně dlouhý poločas rozpadu, nebo být dokonce stabilní. Říkají tomu „ostrov stability“ – zde je přitažlivá jaderná síla dostatečně silná, aby vyrovnala jakýkoliv elektromagnetický odpor.

Vzhledem k tomu, že těžké prvky je obtížné vyrobit v laboratoři, fyzikové jako já je hledali všude, dokonce i mimo Zemi. Abychom zúžili hledání, potřebujeme vědět, jaké přírodní procesy by mohly tyto prvky produkovat. Potřebujeme také vědět, jaké vlastnosti mají, jaká je jejich hustota.

Výpočet hustoty
Od začátku chtěl můj tým zjistit hustotu těchto supertěžkých prvků. Tato vlastnost by nám mohla napovědět více o tom, jak se chovají atomová jádra těchto prvků. A jakmile jsme měli představu o jejich hustotě, mohli jsme získat lepší představu o tom, kde se tyto prvky mohou skrývat. Abych zjistil hustotu a další chemické vlastnosti těchto prvků, můj výzkumný tým použil model, který představuje atom každého z těchto těžkých prvků jako jeden nabitý mrak. Tento model funguje dobře pro velké atomy, zejména kovy, které jsou uspořádány v mřížkové struktuře.

Nejprve jsme aplikovali tento model na atomy se známými hustotami a vypočítali jejich chemické vlastnosti. Jakmile jsme věděli, že to funguje, použili jsme model k výpočtu hustoty prvků se 164 protony a dalších prvků na tomto ostrově stability.

Na základě našich výpočtů očekáváme, že stabilní kovy s atomovými čísly kolem 164 budou mít hustoty mezi 36 až 68 g/cm^3. V našich výpočtech jsme však použili konzervativní předpoklad o hmotnosti atomových jader. Je možné, že skutečný dosah je až o 40 % vyšší.

Asteroidy a těžké prvky

Mnoho vědců se domnívá, že zlato a další těžké kovy byly uloženy na zemském povrchu poté, co se s planetou srazily asteroidy. Totéž se mohlo stát s těmito supertěžkými prvky, ale superhusté těžké prvky klesají do středu zeměkoule a jsou eliminovány z blízkosti zemského povrchu subdukcí tektonických desek. I když však výzkumníci možná nenajdou supertěžké prvky na zemském povrchu, stále mohou být v asteroidech, jako jsou ty, které je mohly dopravit na naši planetu.

Vědci odhadli, že některé asteroidy mají hustotu větší než osmium (22,59 g/cm^3), nejhustší prvek nalezený na Zemi. Největším z těchto objektů je asteroid 33, kterému se přezdívá Polyhymnia a má vypočtenou hustotu 75,3 g/cm^3. Ale tato hustota nemusí být úplně správná, protože je docela obtížné měřit hmotnost a objem vzdálených asteroidů.

Polyhymnia není jediný hustý asteroid. Ve skutečnosti existuje celá třída supertěžkých objektů, včetně asteroidů, které mohou obsahovat tyto supertěžké prvky. Před časem jsem pro tuto třídu zavedl název Compact Ultradense Objects neboli CUDOs.

Ve studii zveřejněné v říjnu 2023 v European Physical Journal Plus můj tým navrhl, že některé CUDO obíhající ve Sluneční soustavě by mohly ve svých jádrech stále obsahovat některé z těchto hustých těžkých prvků. Jejich povrchy by v průběhu času nahromadily normální hmotu a vzdálenému pozorovateli by se zdály obyčejné.

Jak tedy tyto těžké prvky vznikají? Některé extrémní astronomické události, jako je sloučení dvou hvězd, mohou být dostatečně horké a husté, aby vytvořily stabilní supertěžké prvky. Část supertěžkého materiálu by pak mohla zůstat součástí asteroidů vytvořených při těchto událostech. Mohl by zůstat zabalen v těchto asteroidech, které obíhají ve Sluneční soustavě miliardy let.

Pohled do budoucnosti
Mise Gaia Evropské kosmické agentury má za cíl vytvořit největší a nejpřesnější trojrozměrnou mapu všeho na obloze. Vědci by mohli tyto extrémně přesné výsledky použít ke studiu pohybu asteroidů a zjistit, které z nich mohou mít neobvykle vysokou hustotu.

Poslední vesmírné mise se provádějí s cílem shromáždit materiál z povrchů asteroidů a analyzovat je na Zemi. Jak NASA, tak japonská vesmírná agentura JAXA se úspěšně zaměřily na blízkozemní asteroidy s nízkou hustotou. Právě nedávno přinesla mise NASA s názvem OSIRIS-REx na Zemi vzorek z planetky Bennu. Přestože analýza vzorků teprve začíná, existuje velmi malá pravděpodobnost, že by se v ní mohl ukrývat prach obsahující supertěžké prvky nahromaděné za miliardy let.

Stačil by jeden hustý vzorek prachu a hornin přivezený zpět na Zemi. Mise Psyche, kterou NASA zahájila v říjnu 2023, poletí k asteroidu bohatému na kovy, u kterého je větší šance, že bude obsahovat supertěžké prvky. Více misí k asteroidům, jako je tato, pomůže vědcům lépe porozumět vlastnostem asteroidů obíhajících ve Sluneční soustavě.

Dozvědět se více o asteroidech a prozkoumat potenciální zdroje supertěžkých prvků pomůže vědcům pokračovat ve století trvajícím pátrání po charakteristikách hmoty, která tvoří vesmír, a lépe porozumět tomu, jak vznikaly objekty Sluneční soustavy.

Napsal Johann Rafelski, profesor fyziky, University of Arizona.

Zdroj: https://scitechdaily.com/from-alchemists-to-astrophysicists-do-asteroids-hide-superheavy-secrets/

autor: František Martinek