序號164的穩定元素，就在小行星的內部？靈神星探測器揭開迷霧
太陽系的小行星也許含有未被發現的超重元素
幾個世紀以來，搜尋新元素是許多科學領域的主導動機。
太空中在軌道上運行的小行星的示意圖。（圖片來源：馬克·伽里克/科學照片圖書館，蓋蒂圖片社）
數個世紀以來，許多科學領域視搜尋新元素為主導動機。對原子結構的了解和原子核科學的發展，使科學家們達成了古代鍊金術士的目標——將一種元素變為另一種。在過去的數十年間，來自美國、德國和俄羅斯的科學家們研究出了特別的工具，成功地將兩個原子核進行融合，創造出新的超重元素。
元素周期表中最重的元素有118個質子。 (圖片來源：霍姆丹/Shutterstock)
這些重元素通常並不穩定。較重的元素含有更多的質子，或者說它們的原子核內有著更多帶正電荷的粒子，有時科學家們能把它的數量增加到118個。擁有了如此多的質子，原子核內質子之間的電磁排斥力就會超過將它們粘合在一起的強相互作用力。科學家們曾經預測過，擁有大約164個質子的元素可能會有較長的半衰期，甚至可能是穩定的。他們將這種現象稱之為「穩定島」——在這種情況下，強相互作用力大到足以平衡所有的電斥力。
勞倫斯·伯克利國家實驗室的科學家們進行了測量超重元素的實驗。（圖片來源：瑪瑞林·程，勞倫斯·伯克利國家實驗室）
由於實驗室內很難造出重元素，像我這樣的物理學家們開始向四處搜尋這些元素，甚至是在地球之外尋找。為了縮小搜索範圍，我們需要知道是什麼類型的自然過程製造了這些元素。我們也需要知道它們的性質，例如密度。
計算密度
我們的團隊從一開始起就想要探明這些超重元素的密度。這項性質能告訴我們更多關於這些元素的原子核如何活動的信息。同時，當我們有了關於它們密度的概念之後，我們就能知道這些元素大概會藏在哪裡。
為了了解這些元素的密度和其它化學性質，我們的團隊進行了建模，用孤立且帶電的雲來表現這些重元素的每一個原子。這種模型對大型原子很有用，尤其是那些以晶格結構排列的金屬。我們首先將這些模型運用在密度已知的原子上，並據此計算它們的化學性質。 當我們發現它能勝任時，我們就用這個模型來計算有164個質子的元素，以及其它穩定島中的元素的密度。
基於我們的計算，我們預計原子序號大約為164的穩定金屬的密度在36克每立方厘米至68克每立方厘米之間（21至39盎司/每立方英寸）。然而，在我們的計算之中，我們對原子核質量進行了較為保守的估算。真實的範圍可能要高出百分之40。
小行星與重元素
許多科學家相信，金與其它重元素會在小行星撞擊地球後沉積在行星表面。同樣的情況也可能在超重元素身上發生。然而，這些擁有超大質量和密度的重元素會沉入地底，並在板塊向下俯衝的過程中被帶離地球表面。即使研究人員無法在地球表面找到超重元素，它們仍然可能存在於那些也許會把它們帶到這顆星球上的小行星之內。
科學家們估計，一些小行星的密度比鋨（22.59g/cm3, 或13.06盎司每立方英寸），地球上發現的密度最大的元素還要大。這些天體之中最大的是小行星33，又名波呂許莫尼亞，計算出來的密度大約為75.3g/cm3 （或43.5盎司每立方英寸）。然而，測量遙遠小行星的質量與體積十分困難，因此這個密度數據也許並不準確。
波呂許莫尼亞不是唯一一個密度極高的小行星。事實上，包括小行星在內，有一整個族群的超重天體都有可能含有這些超重元素。在這之前，我曾經將這個族群稱為「極超緻密物體（CUDO）」。2023年10月，在一項發表於《歐洲物理學期刊增刊》的研究中，我的團隊提出，太陽系內軌道上運行的一些極超緻密物體的核心之中，可能仍然含有一部分這類緻密的重元素。它們的表面可能隨著時間的推移而沉積了普通的物質，因此在遙遠的觀測者看來非常普通。
那麼，這些重元素是如何產生的？一些極端的天文事件，例如雙恆星之間的合併，可能產生製造這些穩定超重元素所需的高熱和高密度環境。在這類事件當中產生的一部分超重物質可能被保留在外部的小行星上。它們會被緊密地壓在小行星內部，並一同在太陽系內運行數十億年。
未來前景
歐洲航天局的「蓋亞」衛星任務旨在為天空中的每一個物體建立最大、最精準的三維地圖。研究人員可以根據這些極其精準的測量結果來研究這些小行星的運動，由此得知它們中哪一些可能擁有不同尋常的高密度。
一些太空探測任務可以從小行星表面收集物質，帶回地球進行研究。美國國家航空局(NASA)和日本國家太空局(JAXA)都曾經成功定向了密度較低的近地小行星。就在這個月之內，NASA的奧西里斯-REx 探測器就帶回了樣本。即便分析樣本的工作才剛剛開始，想要在其中找到包含上億年來沉積的超重元素的塵埃，希望非常渺茫。
「靈神星」號探測器已從地球出發。它會利用火星的引力場來使自己接近那顆小行星。在那之後，它將圍繞靈神星運行並收集數據。(圖片來源: NASA/噴氣推進實驗室)
將一份極超緻密的塵土和岩石樣本帶回地球便已足夠。NASA於2023年10月份發射的「靈神星」探測器將會飛向同名的、富含金屬的小行星，並帶回更可能含有超重元素的樣本。更多類似的小行星探測任務會幫助科學家們更好地理解太陽系內運行的小行星們的性質。
對小行星們的更多認識和對超重元素潛在來源的探尋，將有助於科學家們繼續完成這場持續了數個世紀的任務：描述構成了宇宙的物質，並更好地理解太陽系內物體的形成過程。
伊萬·拉福爾基，一名學習物理和數學的本科學生，是這項研究的第一作者，並和威爾·普瑞斯，一名物理研究生一起幫助撰寫本文。
BY:Johann Rafelski
FY: 奈亞拉托離譜
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