太陽系の小惑星に未発見の超重元素が含まれている可能性

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何世紀もの間、新元素の探求は多くの科学分野における原動力だった。原子の構造を理解し、原子核科学を発展させることで、科学者たちは錬金術師たちの昔からの目標であった、ある元素を別の元素に変えるということを成し遂げることができた。

過去数十年の間に、アメリカ、ドイツ、ロシアの科学者たちは、特別な道具を使って2つの原子核を結合させ、新しい超重元素を作り出す方法を発見した。

これらの重元素は通常安定していない。重元素は原子核内の陽子、つまり正電荷を帯びた粒子の数が多く、科学者が作った元素の中には118個もあるものもある。これほど多くの陽子があると、原子核内の陽子間の電磁気的な反発力が、原子核を結びつけておく魅力的な核力を圧倒してしまう。

科学者たちは長い間、陽子が164個前後の元素は半減期が比較的長い、あるいは安定であると予測してきた。彼らはこれを「安定の島」と呼んでいる。ここでは、魅力的な核力が電磁気的な反発と釣り合うほど強いのだ。

重元素は実験室で作るのが難しいため、私のような物理学者は地球外でもあらゆる場所で重元素を探してきた。重元素を絞り込むには、どのような自然プロセスが重元素を生成しうるかを知る必要がある。また、重元素の質量密度などの性質も知る必要がある。

密度の計算

私のチームは当初から、これらの超重元素の質量密度を知りたいと考えていた。この性質から、これらの元素の原子核がどのように振る舞うかを知ることができる。そして、その密度がわかれば、これらの元素がどこに隠れているのかがわかるようになる。

これらの元素の質量密度やその他の化学的性質を調べるために、私の研究チームはこれらの重元素の原子を1つの荷電した雲として表現するモデルを使った。このモデルは、大きな原子、特に格子状に配置された金属に有効である。

私たちはまず、密度が既知の原子にこのモデルを適用し化学的性質を計算した。このモデルが機能することがわかった後は、このモデルを使って陽子164個を持つ元素や、この安定性の島にある他の元素の密度を計算した。

計算の結果、原子番号164前後の安定した金属の密度は36~68 g/cm3(21~39oz/in3)であると予想された。ただし、計算では原子核の質量について保守的な仮定を用いた。実際の範囲は最大40%高い可能性がある。

小惑星と重元素

多くの科学者は、小惑星が地球に衝突した後、やその他の重金属が地球の表面に堆積したと考えている。

これらの超重元素でも同じことが起こった可能性があるが、超大質量高密度の重元素は地中に沈み、地殻プレートの沈み込みによって地表付近から排除される。しかし、研究者が地球の表面で超重元素を見つけることはないかもしれないが、この惑星に超重元素をもたらしたかもしれないような小惑星には、まだ超重元素が含まれている可能性がある。

科学者たちは、いくつかの小惑星の質量密度は、地球上で発見された最も密度の高い元素であるオスミウム(22.59 g/cm3、13.06 oz/in3)よりも大きいと推定している。

これらの天体の中で最大のものは、ポリヒムニアというニックネームを持つ小惑星33で、計算上の密度は75.3 g/cm3 (43.5 oz/in3)である。しかし、遠く離れた小惑星の質量と体積を測定するのはかなり難しいので、この密度は正確ではないかもしれない。

密度の高い小惑星はポリヒムニアだけではない。実際、小惑星を含め、超重元素を含む可能性のある天体は一通り存在する。しばらく前に、私はこのクラスに対してコンパクト超高密度天体(CUDO)という名前を紹介した。

2023年10月に『European Physical Journal Plus』誌に発表された研究で、私のチームは、太陽系内を周回するCUDOのいくつかは、そのコアにまだこれらの高密度で重い元素を含んでいる可能性を示唆した。CUDOの表面には長い年月をかけて通常の物質が蓄積されており、遠方の観測者には通常の物質に見えるだろう。

では、重元素はどのようにして生成されるのだろうか?二重星の合体のような極端な天体現象は、安定した超重元素を生成するのに十分な温度と密度を持つ可能性がある。

超重元素の一部は、このような天体現象でできた小惑星に残る可能性がある。超重元素は、何十億年もの間、太陽系を周回する小惑星に詰め込まれたままになっている可能性がある。

未来への展望

欧州宇宙機関(ESA)のガイア・ミッションは、空に存在するあらゆるものの最大かつ最も精密な3次元地図を作成することを目指している。研究者たちは、小惑星の動きを研究し、どの小惑星の密度が異常に大きいかを突き止めるために、この極めて精密な結果を利用できるだろう。

小惑星の表面から物質を採取し、地球に持ち帰って分析する宇宙ミッションが実施されている。NASAも日本の宇宙機関JAXAも、密度の低い地球近傍小惑星をターゲットにして成功を収めている。ちょうど今月、NASAのOSIRIS-RExミッションがサンプルを持ち帰った。サンプルの分析はまだ始まったばかりだが、数十億年かけて蓄積された超重元素を含むダストが存在する可能性は非常に小さい。

地球に持ち帰る質量密度の高い塵や岩石のサンプルは1つで十分だろう。2023年10月に打ち上げられたNASAのプシケ・ミッションは、超重元素を保有する可能性の高い、金属を多く含む小惑星に飛行してサンプルを採取する。このような小惑星ミッションが増えれば、科学者は太陽系内を周回する小惑星の特性をよりよく理解できるようになるだろう。

小惑星についてより多くを学び、超重元素の潜在的な供給源を探索することは、科学者が宇宙を構成する物質の特徴を明らかにし、太陽系の天体がどのように形成されたかをよりよく理解するために、100年にわたる探求を続けるのに役立つだろう。


本記事は、Evan LaForge氏とJohann Rafelski氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Ancient megalodon super-predators could swallow a great white shark whole, new model reveals」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。

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