العناصر فائقة الثقل والكويكبات شديدة الكثافة

وقد قامت بعض الكويكبات بقياس كثافات أعلى من كثافة أي عنصر معروف بوجوده على الأرض. ويشير هذا إلى أنها تشكلت، جزئيًا على الأقل، بواسطة أنواع غير معروفة من المادة “فائقة الكثافة” التي لا يمكن فحصها بالفيزياء التقليدية.

يقترح جون رافيلسكي من قسم الفيزياء في جامعة أريزونا، توكسون، الولايات المتحدة الأمريكية وفريقه أنه قد يحتوي على عناصر فائقة الثقل بأعداد ذرية (Z) أعلى من حدود الجدول الدوري الحالي.

قاموا بصياغة خصائص هذه العناصر باستخدام نموذج توماس فيرمي للتركيب الذري، مع التركيز بشكل خاص على “جزيرة الاستقرار النووي” المقترحة حول Z = 164، ووسعوا طريقتهم لتشمل أنواعًا غريبة من المادة فائقة الكثافة. لقد تم الآن هذا العمل نشرت داخل المجلة الفيزيائية الأوروبية بلس.

يتم تعريف العناصر فائقة الثقل على أنها تحتوي على عدد كبير جدًا من البروتونات (عدد ذري ​​مرتفع)، وعادة ما تعتبر Z> 104. يمكن تقسيمهم إلى مجموعتين. تم إنشاء تلك التي يتراوح عددها الذري بين 105 و118 تجريبيًا، ولكنها مشعة وغير مستقرة، ولها عمر نصف قصير جدًا، وبالتالي فهي ذات أهمية أكاديمية وبحثية فقط.

لم يتم حتى الآن ملاحظة العناصر التي تحتوي على Z>118، ولكن تم التنبؤ بخصائص بعضها. على وجه الخصوص، من المتوقع أن تكون “جزيرة الاستقرار النووي” عند حوالي Z = 164. وبشكل عام، بما أن كثافة العناصر ترتفع مع كتلتها الذرية، فمن المتوقع أن تكون هذه العناصر فائقة الثقل كثيفة للغاية.

العنصر المستقر الأكثر كثافة هو معدن الأوزميوم البلاتيني النادر (Z=76)؛ كثافته 22.59 جم/سم3³ ضعف الرصاص. الأجسام – عادةً الأجسام الفلكية – التي تكون أكثر كثافة من تلك التي تُعتبر “أجسامًا مدمجة فائقة الكثافة” أو CUDOs.

المثال الأكثر شهرة هو الكويكب 33 بوليهيمنيا، الموجود في الحزام الرئيسي بين المريخ والمشتري؛ وتقدر كثافته بحوالي 75 جم / سم 3³. يقترح رافلسكي أن Polyhymnia والأشياء المشابهة تتكون من عناصر أعلى من Z = 118، وربما مع أنواع أخرى من المواد فائقة الكثافة.

بدأ رافلسكي واثنين من زملائه الطلاب، إيفان لافورج وويل برايس، في حساب التركيب الذري الدقيق وخصائص العناصر فائقة الثقل باستخدام نموذج توماس فيرمي النسبي للذرة.

يشرح رافيلسكي: “لقد اخترنا هذا النموذج على الرغم من عدم دقته النسبية لأنه يسمح لنا بدراسة السلوك الذري بشكل منهجي كدالة للعدد الذري خارج الجدول الدوري المعروف”. “ما يستحق الاهتمام أيضًا هو أنه سمح لنا أيضًا باستكشاف العديد من الذرات في الوقت القصير الذي أمضاه إيفان. [LaForge]أفضل طلابنا الجامعيين.”

أكدت حسابات الباحثين التنبؤ بأن الذرات التي تحتوي على حوالي 164 بروتونًا في نواتها ستكون مستقرة، واقترحت أن العنصر المستقر الذي يحتوي على Z=164 ستكون كثافته بين 36.0 و68.4 جم/سم3.³: النطاق الذي يقارب القيمة المتوقعة لتعدد نبضات الكويكب.

ولأن نموذجهم استخدم توزيع الشحنة في النواة كأحد مدخلاته، فيمكن توسيعه لمحاكاة أشياء أكثر غرابة، بما في ذلك مادة ألفا: مكثفة مصنوعة بالكامل من نوى الهيليوم المعزولة (جسيمات ألفا).

إن فكرة أن بعض الكويكبات قد تتكون من مواد غير معروفة على الأرض تلهم “عمال المناجم الفضائيين” الذين يخططون لاستخراج المعادن الثمينة، بما في ذلك الذهب، التي من المتوقع أن تقع بالقرب من سطح الآخرين.

ويخلص رافيلسكي إلى أن “جميع العناصر الثقيلة للغاية -الأقل استقرارًا والتي لا يمكن ملاحظتها ببساطة- يتم تجميعها معًا تحت اسم “الأنوبتينيوم”.” “إن فكرة أن بعضًا من هذا قد يكون مستقرًا بما يكفي لاشتقاقه من نظامنا الشمسي هي فكرة مثيرة.”