Durante siglos, el búsqueda de nuevos elementos Fue una fuerza impulsora en muchas disciplinas científicas. La comprensión de la estructura del átomo y el desarrollo de la ciencia nuclear permitieron a los científicos lograr el antiguo objetivo de alquimistas – convertir un elemento en otro.
En las últimas décadas, científicos de Estados Unidos, Alemania y Rusia han descubierto cómo utilizar herramientas especiales. combinar dos núcleos atómicos y crear nuevos, elementos superpesados.
Estos elementos pesados normalmente no son estables. Elementos más pesados tener más protones, o partículas cargadas positivamente en el núcleo; algunos que los científicos han creado tener hasta 118. Con esa cantidad de protones, las fuerzas electromagnéticas de repulsión entre los protones en los núcleos atómicos abruman la fuerza nuclear de atracción que mantiene unido el núcleo.
Los científicos han predicho desde hace mucho tiempo que los elementos con alrededor de 164 protones podrían tener una vida relativamente larga media vida, o incluso ser estable. A esto lo llaman el “isla de estabilidad” – aquí, la fuerza nuclear de atracción es lo suficientemente fuerte como para equilibrar cualquier repulsión electromagnética.
Dado que los elementos pesados son difíciles de fabricar en el laboratorio, físicos como yo He estado buscando estos elementos por todas partes, Incluso más allá de la Tierra. Para limitar la búsqueda, necesitamos saber qué tipo de procesos naturales podrían producir estos elementos. También necesitamos saber qué propiedades tienen, como sus densidades de masa.
Calculando la densidad
Desde el principio, mi equipo quería determinar la densidad de masa de estos elementos superpesados. Esta propiedad podría decirnos más sobre cómo se comportan los núcleos atómicos de estos elementos. Y una vez que tuvimos una idea sobre su densidad, pudimos tener una mejor idea de dónde podrían estar escondidos estos elementos.
Para calcular la densidad de masa y otros propiedades químicas De estos elementos, mi equipo de investigación utilizó un modelo que representa un átomo de cada uno de estos elementos pesados como una única nube cargada. Este modelo funciona bien para átomos grandes, particularmente metales que están dispuestos en una estructura reticular.
Nosotros primero aplicó este modelo a átomos con densidades conocidas y calcularon sus propiedades químicas. Una vez que supimos que funcionaba, utilizamos el modelo para calcular la densidad de elementos con 164 protones y otros elementos en esta isla de estabilidad.
Según nuestros cálculos, esperamos que los metales estables con números atómicos alrededor de 164 tengan densidades entre 36 y 68 g/cm3 (21 a 39 oz/in3). Sin embargo, en nuestros cálculos utilizamos una suposición conservadora sobre la masa de los núcleos atómicos. Es posible que el alcance real sea hasta un 40% mayor.
Asteroides y elementos pesados.
Muchos científicos cree que el oro y otros metales pesados se depositaron en la superficie de la Tierra después de que los asteroides chocaran con el planeta.
Lo mismo podría haber sucedido con estos elementos superpesados, pero los elementos pesados supermasosos se hunden en el suelo y son eliminados desde cerca de la superficie terrestre por la subducción de placas tectónicas. Sin embargo, aunque es posible que los investigadores no encuentren elementos superpesados en la superficie de la Tierra, aún podrían estar en asteroides como los que podrían haberlos traído a este planeta.
Los científicos han estimado que algunos asteroides tienen densidades de masa mayores que las de osmio (22,59 g/cm3, 13,06 oz/in3), el elemento más denso encontrado en Tierra.
El mayor de estos objetos es el asteroide 33, que es apodado Polimnia y tiene una densidad calculada de 75,3 g/cm3 (43,5 oz/in3). Pero esta densidad podría no ser del todo correcta, ya que es bastante difícil medir la masa y el volumen de asteroides lejanos.
Polyhymnia no es el único asteroide denso que existe. De hecho, existe toda una clase de objetos superpesados, incluidos los asteroides, que podrían contener estos elementos superpesados. Hace algún tiempo introduje el nombre Objetos compactos ultradensos o CUDOpara esta clase.
En un estudio publicado en octubre de 2023 en el Revista física europea plusmi equipo sugirió algunos de los CUDO que orbitan en el sistema solar todavía podría contener algunos de estos elementos densos y pesados en sus núcleos. Sus superficies habrían acumulado materia normal a lo largo del tiempo y parecerían normales para un observador distante.
Entonces, ¿cómo son estos? elementos pesados producidos? Algunos eventos astronómicos extremos, como fusiones de doble estrella podría ser lo suficientemente caliente y denso como para producir elementos superpesados estables.
Parte del material superpesado podría permanecer a bordo de los asteroides creados en estos eventos. Podrían permanecer empaquetados en estos asteroides, que orbitan alrededor del sistema solar durante miles de millones de años.
Mirando hacia el futuro
El La Agencia Espacial Europea misión gaia tiene como objetivo crear el mapa tridimensional más grande y preciso de todo lo que hay en el cielo. Los investigadores podrían utilizar estos resultados extremadamente precisos para estudiar el movimiento de los asteroides y descubrir cuáles podrían tener una densidad inusualmente grande.
Se están realizando misiones espaciales para recolectar material de las superficies de los asteroides y analizarlo en la Tierra. Tanto la NASA como la Agencia espacial estatal japonesa JAXA han apuntado con éxito a asteroides cercanos a la Tierra de baja densidad. Precisamente este mes, la NASA OSIRIS-REx La misión trajo una muestra. Aunque el análisis de la muestra apenas está comenzando, existe una posibilidad muy pequeña de que pueda albergar polvo que contenga elementos superpesados acumulados durante miles de millones de años.
Una muestra de polvo y roca de gran densidad traída a la Tierra sería suficiente. La misión Psique de la NASAque se lanzó en octubre de 2023, volará y tomará muestras un asteroide rico en metales con una mayor probabilidad de albergar elementos superpesados. Más misiones de asteroides como esta ayudarán a los científicos a comprender mejor las propiedades de los asteroides que orbitan en el sistema solar.
Aprender más sobre los asteroides y explorar fuentes potenciales de elementos superpesados ayudará a los científicos a continuar la búsqueda de un siglo de caracterizar la materia que constituye el universo y comprender mejor cómo se formaron los objetos en el sistema solar.
Evan LaForge, un estudiante universitario que estudia física y matemáticas, es el autor principal de esta investigación y ayudó con la redacción de este artículo, junto con Will Price, un estudiante de posgrado en física.