Asteróides no sistema solar podem conter elementos superpesados ​​não descobertos

Durante séculos, a busca por novos elementos foi uma força motriz em muitas disciplinas científicas. A compreensão da estrutura de um átomo e o desenvolvimento da ciência nuclear permitiram aos cientistas atingir o antigo objetivo dos alquimistas – transformar um elemento em outro.

Nas últimas décadas, cientistas dos Estados Unidos, Alemanha e Rússia descobriram como utilizar ferramentas especiais para combinar dois núcleos atómicos e criar novos elementos superpesados.

Esses elementos pesados ​​geralmente não são estáveis. Elementos mais pesados ​​têm mais prótons, ou partículas carregadas positivamente no núcleo; alguns que os cientistas criaram têm até 118. Com tantos prótons, as forças repulsivas eletromagnéticas entre os prótons nos núcleos atômicos superam a força nuclear atrativa que mantém o núcleo unido.

Os cientistas previram há muito tempo que elementos com cerca de 164 prótons poderiam ter uma meia-vida relativamente longa, ou mesmo ser estáveis. Eles chamam isto de “ilha de estabilidade” – aqui, a força nuclear atrativa é forte o suficiente para equilibrar qualquer repulsão eletromagnética.

Como os elementos pesados ​​são difíceis de produzir em laboratório, físicos como eu têm procurado esses elementos em todos os lugares, até mesmo fora da Terra. Para restringir a pesquisa, precisamos saber que tipo de processos naturais poderiam produzir esses elementos. Também precisamos saber quais propriedades eles possuem, como suas densidades de massa.

Calculando densidade

Desde o início, a minha equipa quis descobrir a densidade de massa destes elementos superpesados. Esta propriedade poderia nos dizer mais sobre como os núcleos atômicos desses elementos se comportam. E assim que tivéssemos uma ideia sobre a sua densidade, poderíamos ter uma noção melhor de onde estes elementos poderiam estar escondidos.

Para descobrir a densidade de massa e outras propriedades químicas destes elementos, a minha equipa de investigação utilizou um modelo que representa um átomo de cada um destes elementos pesados ​​como uma nuvem única e carregada. Este modelo funciona bem para átomos grandes, particularmente metais dispostos em uma estrutura reticulada.

Primeiro aplicamos este modelo a átomos com densidades conhecidas e calculamos suas propriedades químicas. Assim que soubemos que funcionava, usamos o modelo para calcular a densidade de elementos com 164 prótons e outros elementos nesta ilha de estabilidade.

Com base em nossos cálculos, esperamos que metais estáveis ​​com números atômicos em torno de 164 tenham densidades entre 36 e 68 g/cm³ (21 a 39 onças/pol.³). No entanto, nos nossos cálculos, utilizámos uma suposição conservadora sobre a massa dos núcleos atómicos. É possível que o alcance real seja até 40% maior.

Asteróides e elementos pesados

Muitos cientistas acreditam que ouro e outros metais pesados ​​foram depositados na superfície da Terra depois que asteróides colidiram com o planeta.

A mesma coisa poderia ter acontecido com esses elementos superpesados, mas os elementos pesados ​​supermassivos e densos afundam no solo e são eliminados perto da superfície da Terra pela subducção das placas tectônicas. No entanto, embora os investigadores possam não encontrar elementos superpesados ​​na superfície da Terra, eles ainda podem estar em asteróides como aqueles que os trouxeram para este planeta.

Os cientistas estimaram que alguns asteróides têm densidades de massa maiores que a do ósmio (22,59 g/cm³13,06 onças/pol.³), o elemento mais denso encontrado na Terra.

O maior desses objetos é o asteroide 33, apelidado de Polyhymnia e tem densidade calculada de 75,3 g/cm³ (43,5 onças/pol.³). Mas esta densidade pode não estar correta, uma vez que é muito difícil medir a massa e o volume de asteróides distantes.

Polyhymnia não é o único asteróide denso que existe. Na verdade, existe toda uma classe de objetos superpesados, incluindo asteroides, que podem conter esses elementos superpesados. Há algum tempo, apresentei o nome Compact Ultradense Objects, ou CUDOs, para esta classe.

Num estudo publicado em outubro de 2023 no European Physical Journal Plus, a minha equipa sugeriu que alguns dos CUDOs que orbitam no sistema solar ainda podem conter alguns destes elementos densos e pesados ​​nos seus núcleos. Suas superfícies teriam acumulado matéria normal ao longo do tempo e pareceriam normais para um observador distante.

Então, como são produzidos esses elementos pesados? Alguns eventos astronômicos extremos, como fusões de estrelas duplas, podem ser quentes e densos o suficiente para produzir elementos superpesados ​​estáveis.

Parte do material superpesado poderia então permanecer a bordo dos asteroides criados nesses eventos. Eles poderiam ficar amontoados nesses asteroides, que orbitam o sistema solar há bilhões de anos.

Olhando para o futuro

A missão Gaia da Agência Espacial Europeia visa criar o maior e mais preciso mapa tridimensional de tudo o que existe no céu. Os investigadores poderiam usar estes resultados extremamente precisos para estudar o movimento dos asteróides e descobrir quais deles podem ter uma densidade invulgarmente grande.

Missões espaciais estão sendo conduzidas para coletar material das superfícies de asteróides e analisá-los na Terra. Tanto a NASA quanto a agência espacial estatal japonesa JAXA têm como alvo asteróides de baixa densidade próximos à Terra com sucesso. Ainda este mês, a missão OSIRIS-REx da NASA trouxe uma amostra. Embora a análise da amostra esteja apenas começando, há uma chance muito pequena de que ela possa abrigar poeira contendo elementos superpesados ​​acumulados ao longo de bilhões de anos.

Uma amostra densa de poeira e rocha trazida de volta à Terra seria suficiente. A missão Psyche da NASA, lançada em outubro de 2023, voará e coletará amostras de um asteróide rico em metais com maior chance de abrigar elementos superpesados. Mais missões de asteróides como esta ajudarão os cientistas a compreender melhor as propriedades dos asteróides que orbitam no sistema solar.

Aprender mais sobre asteróides e explorar fontes potenciais de elementos superpesados ​​ajudará os cientistas a continuar a busca de um século para caracterizar a matéria que constitui o universo e compreender melhor como os objetos do sistema solar se formaram.

Evan LaForge, um estudante de graduação em física e matemática, é o principal autor desta pesquisa e ajudou na redação deste artigo, juntamente com Will Price, um estudante de pós-graduação em física.