Найщільнішим природним елементом періодичної системи є метал осмій. При кімнатній температурі він утворює тверду речовину з щільністю 22,59 грама на кубічний сантиметр – майже вдвічі щільніше, ніж внутрішнє ядро Землі, і майже так само щільно, як ядро Юпітера.
Але в Сонячній системі є деякі об’єкти, які, здається, набагато щільніші за осмій; навіть не ядра планет, а астероїди, які не мають такої маси, щоб стиснути мінерали до надщільного стану.
Це змусило вчених припустити, що існують природні стабільні елементи за межами періодичної таблиці – навіть за межами нестабільних радіоактивних надважких елементів між атомними номерами 105 і 118, які коли-небудь спостерігалися лише в лабораторних умовах.
Невідомо, чи будуть елементи з більш ніж 118 протонами взагалі стабільними – їх точно ніколи не спостерігали ні в природі, ні в лабораторних умовах. Але теоретичні дослідження показують, що існує острівець стабільності навколо атомного номера 164, де надважкі елементи не можуть бути настільки схильні до радіоактивного розпаду і можуть залишитися, принаймні на деякий час.
Оскільки очікується, що ці важчі елементи будуть щільнішими, вони можуть пояснити дивовижні спостереження за астероїдом 33 Polyhymnia, скелею в поясі астероїдів, що має приблизно 50-60 кілометрів (приблизно 30-36 миль) у поперечнику. За результатами одного вимірювання щільність 33 Polyhymnia становить 75,28 грама на кубічний сантиметр, класифікуючи його як потенційно компактний надщільний об’єкт (CUDO).
Такий крайній викид, швидше за все, є результатом помилкового вимірювання. Навіть астроном, який робив цей розрахунок, зазначив, що це нереально. Але фізики Еван ЛаФордж, Вілл Прайс і Йоганн Рафельскі з Університету Арізони хотіли дослідити, чи є така щільність принаймні фізично правдоподібною.
Вони заснували свою роботу на моделі атома, яка називається моделлю Томаса-Фермі, яка, як відомо, є грубим, але корисним способом формування базових наближень поведінки певних атомів. У рамках цього дослідники досліджували атомну структуру гіпотетичних надважких елементів.
«Ми обрали цю модель, незважаючи на її відносну неточність, тому що вона дозволяє систематично досліджувати поведінку атомів як функцію атомного номера за межами відомої періодичної таблиці», — говорить Рафельскі. «Додатковим міркуванням є те, що це також дозволило нам досліджувати багато атомів за короткий час, доступний Евану [ЛаФорджу], нашому блискучому студенту».
Їхні розрахунки узгоджуються з острівцем стабільності, який раніше передбачався під атомним номером 164. І вони показали, що діапазон щільності цього елемента становить від 36 до 68,4 грама на кубічний сантиметр. Це не означає, що 33 Polyhymnia є надщільним. Це просто означає, що може бути пояснення цього (можливо, помилкового) вимірювання ультращільності, яке не потребує заглядання в кошик таємничої матерії.
«Мета цього дослідження полягала в тому, щоб визначити, чи можна досягти CUDO з екстремальною щільністю маси без потреби у зазвичай використовуваній дивній або темній матерії», — пишуть дослідники у своїй статті.
«Ми зробили це, досліджуючи дві різні ядерні системи за допомогою релятивістської моделі Томаса-Фермі. З дослідження як стандартних ядер, так і альфа-матерії стало зрозуміло, що обидва типи ядерної матерії можуть пояснити щільність, яку можна побачити в CUDO, таких як астероїд 33. Полігімнія».
Робота, за їх словами, демонструє корисність моделі Томаса-Фермі для дослідження властивостей гіпотетичних надважких елементів і забезпечує основу для більш надійного їх аналізу.