几个世纪以来，对新元素的探索是许多科学学科的驱动力。对原子结构的了解和核科学的发展使科学家们得以实现炼金术士的古老目标--把一种元素变成另一种元素。在过去的几十年里，美国、德国和俄罗斯的科学家们已经弄清了如何使用特殊工具将两个原子核结合起来，创造出新的超重元素。科学家推测，小行星可能蕴藏着超重元素，有可能彻底改变我们对原子结构和宇宙的认识。

作者：亚利桑那大学物理学教授 Johann Rafelski

这些重元素通常并不稳定。更重的元素有更多的质子，即原子核中带正电的粒子；科学家们创造的一些元素有多达 118 个质子。有了这么多质子，原子核中质子之间的电磁排斥力就会压倒使原子核保持在一起的核吸引力。

元素周期表中最重的元素有 118 个质子。

科学家们早就预言，质子数在 164 个左右的元素可能具有相对较长的半衰期，甚至是稳定的。他们称其为"稳定岛"--在这里，核吸引力足以平衡电磁排斥力。

由于重元素很难在实验室中制造，像我这样的物理学家一直在到处寻找重元素，甚至在地球之外。为了缩小搜索范围，我们需要知道什么样的自然过程可以产生这些元素。我们还需要知道它们有哪些特性，比如它们的质量密度。

从一开始，我的团队就想弄清楚这些超重元素的质量密度。这一特性可以让我们更多地了解这些元素原子核的行为方式。一旦我们知道了它们的密度，我们就能更好地了解这些元素可能隐藏在哪里。为了弄清这些元素的质量密度和其他化学性质，我的研究团队使用了一个模型，该模型将每种重元素的原子都表示为一个单一的带电云团。这个模型对于大原子，特别是以晶格结构排列的金属非常有效。

劳伦斯伯克利国家实验室的科学家们建造了可以称量超重元素重量的实验。资料来源：Marilyn Chung，劳伦斯伯克利国家实验室

我们首先将这一模型应用于已知密度的原子，并计算出它们的化学特性。当我们知道它有效后，我们就用这个模型来计算具有 164 个质子的元素的密度，以及这个稳定岛中其他元素的密度。

根据我们的计算，我们预计原子序数在 164 左右的稳定金属的密度在 36 到 68 g/cm3 之间（21 到 39 oz/in3）。不过，在计算中，我们对原子核的质量使用了保守的假设。实际范围可能要高出 40%。

许多科学家认为，金和其他重金属是在小行星与地球碰撞后沉积在地球表面的，而这些超重元素也可能发生过同样的事情，但超大质量密度的重元素会沉入地下，并被构造板块的俯冲作用从地球表面附近消除。不过，虽然研究人员可能不会在地球表面发现超重元素，但它们仍然可能存在于小行星中，比如那些可能把它们带到地球上的小行星。

据科学家估计，一些小行星的质量密度大于地球上密度最大的元素锇（22.59 克/立方厘米，13.06 盎司/立方英寸）。

其中最大的天体是小行星 33，它的昵称是 Polyhymnia，计算得出的密度为 75.3 克/立方厘米（43.5 盎司/立方英寸）。但这个密度可能并不完全正确，因为测量遥远小行星的质量和体积相当困难。

Polyhymnia并不是唯一的高密度小行星。事实上，包括小行星在内的一整类超重天体都可能含有这些超重元素。不久前，我为这一类天体起了一个名字--"致密超高密度天体"（Compact Ultradense Objects，简称 CUDOs）。

我的团队在2023年10月发表在《欧洲物理期刊》（European Physical Journal Plus）上的一项研究中提出，在太阳系中环绕运行的一些CUDOs的内核中可能仍然含有这些致密的重元素。随着时间的推移，它们的表面会积累正常的物质，在遥远的观察者看来也是正常的。

那么，这些重元素是如何产生的呢？一些极端的天文事件，比如双星合并，可能会产生足够高的温度和密度，从而产生稳定的超重元素。一些超重物质可能会留在这些事件中产生的小行星上。它们可能在这些小行星中停留数十亿年，绕太阳系运行。

欧洲航天局的"盖亚"任务旨在绘制最大、最精确的天空万物三维地图。研究人员可以利用这些极其精确的结果来研究小行星的运动，并找出哪些小行星的密度可能异常大。目前其正在执行太空任务，从小行星表面收集材料，并带回地球进行分析。美国国家航空航天局（NASA）和日本国家宇宙航空研究开发机构（JAXA）都以低密度近地小行星为目标，并取得了成功。就在本月，NASA 的 OSIRIS-REx 任务带回了一个样本。虽然对样本的分析才刚刚开始，但它极有可能蕴藏着数十亿年来积累的含有超重元素的尘埃。

Psyche 航天器已经离开地球。它将利用火星的引力场带着它靠近小行星。然后它将围绕小行星运行并收集数据。资料来源：NASA/JPL-Caltech

将一个质量密集的尘埃和岩石样本带回地球就足够了。NASA的Psyche任务将于2023年10月发射，它将飞往一颗富含金属的小行星并对其进行采样，这颗小行星蕴藏超重元素的几率更大。更多类似的小行星任务将帮助科学家们更好地了解太阳系中运行的小行星的特性。

更多地了解小行星和探索超重元素的潜在来源，将有助于科学家们继续进行跨世纪的探索，以确定构成宇宙的物质的特征，并更好地了解太阳系中的天体是如何形成的。