拥有164个质子的超重元素，会藏在地球之外吗？

序号164的稳定元素，就在小行星的内部？灵神星探测器揭开迷雾

太阳系的小行星也许含有未被发现的超重元素

几个世纪以来，搜寻新元素是许多科学领域的主导动机。

太空中在轨道上运行的小行星的示意图。（图片来源：马克·伽里克/科学照片图书馆，盖蒂图片社）

数个世纪以来，许多科学领域视搜寻新元素为主导动机。对原子结构的了解和原子核科学的发展，使科学家们达成了古代炼金术士的目标——将一种元素变为另一种。在过去的数十年间，来自美国、德国和俄罗斯的科学家们研究出了特别的工具，成功地将两个原子核进行融合，创造出新的超重元素。

元素周期表中最重的元素有118个质子。 (图片来源：霍姆丹/Shutterstock)

这些重元素通常并不稳定。较重的元素含有更多的质子，或者说它们的原子核内有着更多带正电荷的粒子，有时科学家们能把它的数量增加到118个。拥有了如此多的质子，原子核内质子之间的电磁排斥力就会超过将它们粘合在一起的强相互作用力。科学家们曾经预测过，拥有大约164个质子的元素可能会有较长的半衰期，甚至可能是稳定的。他们将这种现象称之为“稳定岛”——在这种情况下，强相互作用力大到足以平衡所有的电斥力。

劳伦斯·伯克利国家实验室的科学家们进行了测量超重元素的实验。（图片来源：玛瑞林·程，劳伦斯·伯克利国家实验室）

由于实验室内很难造出重元素，像我这样的物理学家们开始向四处搜寻这些元素，甚至是在地球之外寻找。为了缩小搜索范围，我们需要知道是什么类型的自然过程制造了这些元素。我们也需要知道它们的性质，例如密度。

计算密度

我们的团队从一开始起就想要探明这些超重元素的密度。这项性质能告诉我们更多关于这些元素的原子核如何活动的信息。同时，当我们有了关于它们密度的概念之后，我们就能知道这些元素大概会藏在哪里。

为了了解这些元素的密度和其它化学性质，我们的团队进行了建模，用孤立且带电的云来表现这些重元素的每一个原子。这种模型对大型原子很有用，尤其是那些以晶格结构排列的金属。我们首先将这些模型运用在密度已知的原子上，并据此计算它们的化学性质。 当我们发现它能胜任时，我们就用这个模型来计算有164个质子的元素，以及其它稳定岛中的元素的密度。

基于我们的计算，我们预计原子序号大约为164的稳定金属的密度在36克每立方厘米至68克每立方厘米之间（21至39盎司/每立方英寸）。然而，在我们的计算之中，我们对原子核质量进行了较为保守的估算。真实的范围可能要高出百分之40。

小行星与重元素

许多科学家相信，金与其它重元素会在小行星撞击地球后沉积在行星表面。同样的情况也可能在超重元素身上发生。然而，这些拥有超大质量和密度的重元素会沉入地底，并在板块向下俯冲的过程中被带离地球表面。即使研究人员无法在地球表面找到超重元素，它们仍然可能存在于那些也许会把它们带到这颗星球上的小行星之内。

科学家们估计，一些小行星的密度比锇（22.59g/cm3, 或13.06盎司每立方英寸），地球上发现的密度最大的元素还要大。这些天体之中最大的是小行星33，又名波吕许莫尼亚，计算出来的密度大约为75.3g/cm3 （或43.5盎司每立方英寸）。然而，测量遥远小行星的质量与体积十分困难，因此这个密度数据也许并不准确。

波吕许莫尼亚不是唯一一个密度极高的小行星。事实上，包括小行星在内，有一整个族群的超重天体都有可能含有这些超重元素。在这之前，我曾经将这个族群称为“极超致密物体（CUDO）”。2023年10月，在一项发表于《欧洲物理学期刊增刊》的研究中，我的团队提出，太阳系内轨道上运行的一些极超致密物体的核心之中，可能仍然含有一部分这类致密的重元素。它们的表面可能随着时间的推移而沉积了普通的物质，因此在遥远的观测者看来非常普通。

那么，这些重元素是如何产生的？一些极端的天文事件，例如双恒星之间的合并，可能产生制造这些稳定超重元素所需的高热和高密度环境。在这类事件当中产生的一部分超重物质可能被保留在外部的小行星上。它们会被紧密地压在小行星内部，并一同在太阳系内运行数十亿年。

未来前景

欧洲航天局的“盖亚”卫星任务旨在为天空中的每一个物体建立最大、最精准的三维地图。研究人员可以根据这些极其精准的测量结果来研究这些小行星的运动，由此得知它们中哪一些可能拥有不同寻常的高密度。

一些太空探测任务可以从小行星表面收集物质，带回地球进行研究。美国国家航空局(NASA)和日本国家太空局(JAXA)都曾经成功定向了密度较低的近地小行星。就在这个月之内，NASA的奥西里斯-REx探测器就带回了样本。即便分析样本的工作才刚刚开始，想要在其中找到包含上亿年来沉积的超重元素的尘埃，希望非常渺茫。

“灵神星”号探测器已从地球出发。它会利用火星的引力场来使自己接近那颗小行星。在那之后，它将围绕灵神星运行并收集数据。(图片来源: NASA/喷气推进实验室)

将一份极超致密的尘土和岩石样本带回地球便已足够。NASA于2023年10月份发射的“灵神星”探测器将会飞向同名的、富含金属的小行星，并带回更可能含有超重元素的样本。更多类似的小行星探测任务会帮助科学家们更好地理解太阳系内运行的小行星们的性质。

对小行星们的更多认识和对超重元素潜在来源的探寻，将有助于科学家们继续完成这场持续了数个世纪的任务：描述构成了宇宙的物质，并更好地理解太阳系内物体的形成过程。

伊万·拉福尔基，一名学习物理和数学的本科学生，是这项研究的第一作者，并和威尔·普瑞斯，一名物理研究生一起帮助撰写本文。