Najgęstszym naturalnie występującym na Ziemi znanym pierwiastkiem jest osm. W temperaturze pokojowej jest on ciałem stałym o gęstości wynoszącej 22,59 gramów na centymetr sześcienny – prawie dwukrotnie większej niż gęstość jądra Ziemi i prawie takiej samej jak gęstość jądra Jowisza. Na innych obiektach Układu Słonecznego, nawet asteroidach, mogą naturalnie występować jednak jeszcze gęstsze pierwiastki, które nie odkryliśmy.
Pierwiastek z 164 protonami?
W Układzie Słonecznym istnieją obiekty, które wydają się być znacznie gęstsze od osmu. Nie są to nawet jądra planet, a asteroidy, które nie dysponują masą potrzebną do sprasowania materiałów do stanu ultragęstego. Właśnie dlatego naukowcy zaczęli spekulować, że być może poza układem okresowym (czyli listą pierwiastków o potwierdzonym istnieniu) istnieją naturalnie występujące, stabilne pierwiastki, chociaż znane radioaktywne pierwiastki superciężkie o liczbach atomowych od 105 do 118 są wysoce niestabilne i dotychczas obserwowano tylko w warunkach laboratoryjnych.
Oczywiście nie wiadomo, czy jakiekolwiek pierwiastki mające więcej niż 118 protonów w ogóle byłyby stabilne. Z pewnością nigdy ich nie obserwowano – ani w naturze, ani w warunkach laboratoryjnych. Prace teoretyczne sugerują natomiast, że w okolicach liczby atomowej 164 może istnieć wyspa stabilności – wyspa superciężkich pierwiastków, które nie powinny być tak podatne na rozpad radioaktywny, jak inne tego typu pierwiastki, a przynajmniej przez jakiś czas.
Jako że oczekuje się, iż omawiane cięższe pierwiastki będą też znacznie gęstsze niż znane superciężkie pierwiastki, ich istnienie wyjaśniałoby chociażby osobliwe obserwacje dotyczące asteroidy 33 Polyhymnia. To skała o średnicy 50-60 kilometrów, znajdująca się w Pasie Asteroid. W wyniku jednego z pomiarów jej gęstości otrzymano wynik 75,28 grama na centymetr sześcienny.
Rzecz jasna tak skrajna wartość może być wynikiem błędnego pomiaru. Nawet astronom, który odpowiadał za jej pomiar, stwierdził, że nie jest ona realistyczna. Niemniej, fizycy Evan LaForge, Will Price i Johann Rafelski z Uniwersytetu Arizony chcieli sprawdzić, czy jakakolwiek asteroida mogłaby faktycznie zawierać materię o takiej gęstości.
W teorii tak ciężki pierwiastek może istnieć
Naukowcy oparli swoją pracę na modelu atomu zwanym modelem Thomasa-Fermiego. Jest on znany z tego, że zapewnia prosty, ale przydatny sposób na tworzenie podstawowych przybliżeń pewnych zachowań atomów. Badacze zbadali z jego pomocą strukturę atomową hipotetycznych pierwiastków superciężkich.
„Wybraliśmy ten model pomimo jego względnej niedokładności, ponieważ pozwala na systematyczne badanie zachowania atomu w funkcji liczby atomowej poza znanym układem okresowym”, powiedział Rafelski. „Kolejną kwestią jest to, że umożliwiło nam to również zbadanie wielu atomów w krótkim czasie, jakim dysponował Evan [LaForge], nasz genialny student.”
Wyniki obliczeń naukowców były zgodne z przewidywaną wcześniej wyspą stabilności o liczbie atomowej 164. Wykazały także, że zakres gęstości dla pierwiastka o tej liczbie atomowej powinien mieścić się w przedziale od 36 do 68,4 gramów na centymetr sześcienny. Górna wartość to niemalże tyle, ile zmierzono w przypadku asteroidy 33 Polyhymnia.
Wszystko to nie oznacza, że 33 Polyhymnia ultragęstym obiektem. Oznacza natomiast to, że istnieje potencjalne wyjaśnienie dla wyniku pomiaru jej gęstości, który nadal mógł być po prostu błędny. Kto wie, być może kiedyś uda się potwierdzić, czy pierwiastek o liczbie atomowej 164 istnieje i czy faktycznie jest stabilniejszy niż inne superciężkie pierwiastki.
Źródło: Springer, fot. tyt. NASA