لقرون عديدة، كان البحث عن عناصر جديدة بمثابة القوة الدافعة في العديد من التخصصات العلمية. إن فهم بنية الذرة وتطور العلوم النووية سمح للعلماء بتحقيق الهدف القديم للكيميائيين، وهو تحويل عنصر إلى آخر.
على مدى العقود القليلة الماضية، اكتشف العلماء في الولايات المتحدة وألمانيا وروسيا كيفية استخدام أدوات خاصة للجمع بين نواتين ذريتين وإنشاء عناصر جديدة فائقة الثقل.
هذه العناصر الثقيلة عادة ليست مستقرة. تحتوي العناصر الأثقل على عدد أكبر من البروتونات، أو جسيمات موجبة الشحنة في النواة؛ وبعضها الذي ابتكره العلماء يصل عدده إلى 118. ومع هذا العدد الكبير من البروتونات، فإن القوى التنافرية الكهرومغناطيسية بين البروتونات في النواة الذرية تطغى على القوة النووية الجذابة التي تحافظ على تماسك النواة.
لقد توقع العلماء منذ فترة طويلة أن العناصر التي تحتوي على حوالي 164 بروتونًا يمكن أن يكون لها نصف عمر طويل نسبيًا، أو حتى تكون مستقرة. يطلقون على هذه الجزيرة اسم “جزيرة الاستقرار” – حيث تكون القوة النووية الجذابة قوية بما يكفي لموازنة أي تنافر كهرومغناطيسي.
وبما أن العناصر الثقيلة يصعب صنعها في المختبر، فقد كان الفيزيائيون مثلي يبحثون عنها في كل مكان، حتى خارج الأرض. لتضييق نطاق البحث، نحتاج إلى معرفة نوع العمليات الطبيعية التي يمكن أن تنتج هذه العناصر. نحتاج أيضًا إلى معرفة خصائصها، مثل كثافتها الجماعية.
حساب الكثافة
منذ البداية، أراد فريقي معرفة الكثافة الكتلية لهذه العناصر فائقة الثقل. يمكن لهذه الخاصية أن تخبرنا المزيد عن كيفية تصرف النوى الذرية لهذه العناصر. وبمجرد أن تكون لدينا فكرة عن كثافتها، يمكننا الحصول على فكرة أفضل عن المكان الذي قد تختبئ فيه هذه العناصر.
لمعرفة كثافة الكتلة وغيرها من الخصائص الكيميائية لهذه العناصر، استخدم فريقي البحثي نموذجًا يمثل ذرة كل من هذه العناصر الثقيلة كسحابة واحدة مشحونة. يعمل هذا النموذج بشكل جيد مع الذرات الكبيرة، خاصة المعادن الموضوعة في بنية شبكية.
قمنا أولاً بتطبيق هذا النموذج على الذرات ذات الكثافات المعروفة وحساب خواصها الكيميائية. بمجرد أن عرفنا نجاحه، استخدمنا النموذج لحساب كثافة العناصر التي تحتوي على 164 بروتونًا، وعناصر أخرى في جزيرة الاستقرار هذه.
بناءً على حساباتنا، نتوقع أن تكون كثافة المعادن المستقرة ذات العدد الذري حوالي 164 ما بين 36 إلى 68 جم/سم33 (21 إلى 39 أونصة/بوصة)3). ومع ذلك، في حساباتنا، استخدمنا افتراضًا متحفظًا حول كتلة النوى الذرية. من الممكن أن يكون النطاق الفعلي أعلى بنسبة تصل إلى 40%.
الكويكبات والعناصر الثقيلة
يعتقد العديد من العلماء أن الذهب والمعادن الثقيلة الأخرى ترسبت على سطح الأرض بعد اصطدام الكويكبات بالكوكب.
يمكن أن يحدث نفس الشيء مع هذه العناصر فائقة الثقل، لكن العناصر الثقيلة الكثيفة ذات الكتلة الفائقة تغوص في الأرض ويتم التخلص منها بالقرب من سطح الأرض عن طريق اندساس الصفائح التكتونية. ومع ذلك، في حين أن الباحثين قد لا يعثرون على عناصر فائقة الثقل على سطح الأرض، إلا أنه من الممكن أن تكون موجودة في الكويكبات مثل تلك التي ربما جلبتها إلى هذا الكوكب.
قدر العلماء أن بعض الكويكبات لها كثافة كتلة أكبر من كثافة الأوسيميوم (22.59 جم/سم3).3، 13.06 أونصة/بوصة3)، العنصر الأكثر كثافة الموجود على الأرض.
أكبر هذه الأجسام هو الكويكب 33، الملقب بـ Polyhymnia وتبلغ كثافته المحسوبة 75.3 جم/سم3.3 (43.5 أونصة/بوصة3). لكن هذه الكثافة قد لا تكون صحيحة تمامًا، لأنه من الصعب جدًا قياس كتلة وحجم الكويكبات البعيدة.
Polyhymnia ليس الكويكب الكثيف الوحيد الموجود هناك. في الواقع، هناك فئة كاملة من الأجسام فائقة الثقل، بما في ذلك الكويكبات، والتي يمكن أن تحتوي على هذه العناصر فائقة الثقل. منذ بعض الوقت، قدمت اسم الكائنات المضغوطة فائقة الكثافة، أو CUDOs، لهذه الفئة.
في دراسة نُشرت في أكتوبر 2023 في مجلة European Physical Journal Plus، اقترح فريقي أن بعض أجسام CUDO التي تدور في النظام الشمسي ربما لا تزال تحتوي على بعض هذه العناصر الكثيفة والثقيلة في قلوبها. من المفترض أن تكون أسطحها قد تراكمت عليها مادة طبيعية بمرور الوقت وستبدو طبيعية لمراقب بعيد.
فكيف يتم إنتاج هذه العناصر الثقيلة؟ بعض الأحداث الفلكية المتطرفة، مثل اندماج النجوم المزدوجة، يمكن أن تكون ساخنة وكثيفة بما يكفي لإنتاج عناصر مستقرة فائقة الثقل.
ويمكن بعد ذلك أن تظل بعض المواد فائقة الثقل على متن الكويكبات التي نشأت في هذه الأحداث. ويمكن أن تظل مكدسة في هذه الكويكبات التي تدور حول النظام الشمسي لمليارات السنين.
يتطلع إلى المستقبل
تهدف مهمة غايا التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية إلى إنشاء أكبر وأدق خريطة ثلاثية الأبعاد لكل شيء في السماء. يمكن للباحثين استخدام هذه النتائج الدقيقة للغاية لدراسة حركة الكويكبات ومعرفة أي منها قد يكون له كثافة كبيرة بشكل غير عادي.
يتم إجراء مهمات فضائية لجمع المواد من أسطح الكويكبات وتحليلها مرة أخرى على الأرض. استهدفت كل من وكالة ناسا ووكالة الفضاء اليابانية الحكومية جاكسا الكويكبات منخفضة الكثافة القريبة من الأرض بنجاح. وفي هذا الشهر فقط، أعادت مهمة OSIRIS-REx التابعة لناسا عينة. على الرغم من أن تحليل العينة قد بدأ للتو، إلا أن هناك فرصة ضئيلة جدًا أن تحتوي على غبار يحتوي على عناصر فائقة الثقل تراكمت على مدى مليارات السنين.
ستكون عينة واحدة من الغبار والصخور ذات الكثافة الجماعية التي يتم إحضارها إلى الأرض كافية. ستطير مهمة Psyche التابعة لناسا، والتي تم إطلاقها في أكتوبر 2023، إلى كويكب غني بالمعادن وأخذ عينات منه مع فرصة أكبر لإيواء عناصر فائقة الثقل. المزيد من مهمات الكويكبات مثل هذه ستساعد العلماء على فهم أفضل لخصائص الكويكبات التي تدور في النظام الشمسي.
إن تعلم المزيد عن الكويكبات واستكشاف المصادر المحتملة للعناصر فائقة الثقل سيساعد العلماء على مواصلة سعيهم الممتد لقرن من الزمن لتوصيف المادة التي تشكل الكون وفهم كيفية تشكل الأجسام في النظام الشمسي بشكل أفضل.
إيفان لافورج، طالب جامعي يدرس الفيزياء والرياضيات، هو المؤلف الرئيسي لهذا البحث وساعد في كتابة هذا المقال، إلى جانب ويل برايس، طالب دراسات عليا في الفيزياء.
تم إعادة نشر هذه المقالة من The Conversation، وهو موقع إخباري مستقل غير ربحي مخصص لمشاركة أفكار الخبراء الأكاديميين. مثل هذه المقالة؟ إشترك في رسائلنا الإخبارية الأسبوعية.
كتب بواسطة: يوهان رافيلسكي، جامعة أريزونا.
اقرأ أكثر:
لا يعمل يوهان رافيلسكي لدى أي شركة أو مؤسسة أو يقدم الاستشارة أو يمتلك أسهمًا فيها أو يتلقى تمويلًا منها قد تستفيد من هذه المقالة، ولم يكشف عن أي انتماءات ذات صلة بعد تعيينه الأكاديمي.