En algunos asteroides se han medido densidades superiores a las de cualquier elemento conocido en la Tierra. Esto sugiere que están compuestos, al menos en parte, por tipos desconocidos de materia «ultradensa» que no puede ser estudiada por la física convencional.
Jan Rafelski y su equipo del Departamento de Física de la Universidad de Arizona (Tucson, EE.UU.) sugieren que podría tratarse de elementos superpesados con un número atómico (Z) superior al límite de la actual Tabla Periódica.
Los autores han modelizado las propiedades de estos elementos utilizando el modelo Thomas-Fermi de estructura atómica, centrándose especialmente en una «isla de estabilidad nuclear» propuesta en torno a Z=164 y ampliando su método para incluir tipos más exóticos de material ultradenso. Este trabajo se ha publicado ahora en EPJ Plus.
Los elementos superpesados se definen como aquellos con un número muy elevado de protones (número atómico alto), generalmente considerados como aquellos con Z>104. Pueden dividirse en dos grupos. Los de número atómico entre 105 y 118 se han fabricado experimentalmente, pero son radiactivos e inestables, con vidas medias muy cortas, por lo que sólo tienen interés académico y de investigación.
Los elementos con Z>118 aún no se han observado, pero se han predicho propiedades para algunos de ellos. En particular, se predice una «isla de estabilidad nuclear» en torno a Z=164. Y como, en general, la densidad de los elementos tiende a aumentar con su masa atómica, cabe esperar que estos elementos superpesados sean extremadamente densos.
El elemento estable más denso es el raro metal platinoide osmio (Z=76); su densidad de 22,59 g/cm3 es aproximadamente el doble de la del plomo. Los objetos -en general, cuerpos astronómicos- con densidades superiores a ésta se consideran «objetos compactos ultradensos» (CUDO). El ejemplo más extremo conocido es el asteroide llamado 33 Polyhymnia, situado en el cinturón principal entre Marte y Júpiter; su densidad se ha calculado en unos 75 g/cm3. Rafelski propone que Polyhymnia y objetos similares pueden estar compuestos por elementos superiores a Z=118, posiblemente con otros tipos de materia ultradensa.
Rafelski y sus dos compañeros estudiantes, Evan LaForge y Will Price, se propusieron calcular la estructura atómica microscópica y las propiedades de los elementos ultrapesados utilizando el modelo relativista Thomas-Fermi del átomo: Elegimos este modelo, a pesar de su relativa imprecisión, porque permite la exploración sistemática del comportamiento atómico en función del número atómico más allá de la conocida Tabla Periódica, explica Rafelski. Otra consideración es que también nos permitía explorar muchos átomos en el poco tiempo de que disponía Evan, nuestro brillante estudiante de licenciatura. Tanto LaForge como Price recibieron a principios de 2023 la prestigiosa beca Galileo Circle de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Arizona, en parte gracias a su trabajo en este proyecto.
Los cálculos de los investigadores confirmaron la predicción de que los átomos con alrededor de 164 protones en su núcleo eran probablemente estables y, además, sugirieron que un elemento estable con Z=164 tendría una densidad de entre 36,0 y 68,4 g/cm3: un rango que se aproxima al valor esperado para el asteroide Polyhymnia. Como su modelo utilizaba la distribución de cargas en el núcleo atómico como una de sus entradas, podía ampliarse para simular sustancias aún más exóticas, incluida la materia alfa: un condensado compuesto enteramente de núcleos de helio aislados (partículas alfa).
La idea de que algunos asteroides puedan estar compuestos de materiales desconocidos en la Tierra está motivando aún más a los posibles «mineros espaciales», que planean explotar los metales preciosos, incluido el oro, que se espera se encuentren cerca de la superficie de otros. «Todos los elementos superpesados -tanto los que son muy inestables como los que simplemente no se observan- se han agrupado como ‘unobtainium’ (término usado para describir a cualquier material que posea propiedades extraordinarias que son únicas o imposibles de obtener en el mundo real), concluye Rafelski. La idea de que algunos de ellos puedan ser lo suficientemente estables como para obtenerse dentro de nuestro Sistema Solar es apasionante.
Fuentes
Springer Nature | LaForge, E., Price, W. & Rafelski, J. Superheavy elements and ultradense matter. Eur. Phys. J. Plus 138, 812 (2023). doi.org/10.1140/epjp/s13360-023-04454-8 (artículo completo PDF)
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