幾個世紀以來，對新元素的探索是許多科學學科的驅動力。對原子結構的了解和核科學的發展使科學家得以實現煉金術士的古老目標–把一種元素變成另一種元素。在過去的幾十年裡，美國、德國和俄羅斯的科學家已經弄清楚如何使用特殊工具將兩個原子核結合起來，創造出新的超重元素。科學家推測，小行星可能蘊藏超重元素，有可能徹底改變我們對原子結構和宇宙的認識。

作者：亞利桑那大學物理學教授Johann Rafelski

這些重元素通常並不穩定。較重的元素有較多的質子，即原子核中帶正電的粒子；科學家創造的一些元素有多達118 個質子。有了這麼多質子，原子核中質子之間的電磁排斥力就會壓倒原子核保持在一起的核吸引力。

元素週期表中最重的元素有118 個質子。

科學家早就預言，質子數在164 個左右的元素可能具有相對較長的半衰期，甚至是穩定的。他們稱之為”穩定島”–在這裡，核吸引力足以平衡電磁排斥力。

由於重元素很難在實驗室中製造，像我這樣的物理學家一直在到處尋找重元素，甚至在地球之外。為了縮小搜尋範圍，我們需要知道什麼樣的自然過程可以產生這些元素。我們還需要知道它們有哪些特性，例如它們的質量密度。

從一開始，我的團隊就想弄清楚這些超重元素的質量密度。這項特性可以讓我們更了解這些元素原子核的行為。一旦我們知道了它們的密度，我們就能更了解這些元素可能隱藏在哪裡。為了弄清楚這些元素的質量密度和其他化學性質，我的研究團隊使用了一個模型，將每個重元素的原子都表示為單一的帶電雲團。這個模型對於大原子，特別是以晶格結構排列的金屬非常有效。

勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家們建造了可以稱量超重元素重量的實驗。資料來源：Marilyn Chung，勞倫斯伯克利國家實驗室

我們首先將此模型應用於已知密度的原子，並計算出它們的化學特性。當我們知道它有效後，我們就用這個模型來計算具有164 個質子的元素的密度，以及這個穩定島中其他元素的密度。

根據我們的計算，我們預期原子序數在164 左右的穩定金屬的密度在36 到68 g/cm3 之間（21 到39 oz/in3）。不過，在計算中，我們對原子核的質量使用了保守的假設。實際範圍可能高出40%。

許多科學家認為，金和其他重金屬是在小行星與地球碰撞後沉積在地球表面的，而這些超重元素也可能發生過同樣的事情，但超大質量密度的重元素會沉入地下，並被構造板塊的俯衝作用從地球表面附近消除。不過，雖然研究人員可能不會在地球表面發現超重元素，但它們仍然可能存在於小行星中，例如那些可能把它們帶到地球上的小行星。

根據科學家估計，有些小行星的質量密度大於地球上密度最大的元素鋨（22.59 克/立方厘米，13.06 盎司/立方英吋）。

其中最大的天體是小行星33，它的暱稱是Polyhymnia，計算出的密度為75.3 克/立方公分（43.5 盎司/立方英吋）。但這個密度可能不完全正確，因為測量遙遠小行星的質量和體積相當困難。

Polyhymnia並不是唯一的高密度小行星。事實上，包括小行星在內的一整類超重天體都可能含有這些超重元素。不久前，我為這一類天體取了一個名字–“緻密超高密度天體”（Compact Ultradense Objects，簡稱CUDOs）。

我的團隊在2023年10月發表在《歐洲物理期刊》（European Physical Journal Plus）上的一項研究中提出，在太陽系中環繞運行的一些CUDOs的核心中可能仍然含有這些緻密的重元素。隨著時間的推移，它們的表面會累積正常的物質，在遙遠的觀察者看來也是正常的。

那麼，這些重元素是如何產生的呢？一些極端的天文事件，例如雙星合併，可能會產生足夠高的溫度和密度，從而產生穩定的超重元素。一些超重物質可能會留在這些事件中產生的小行星上。它們可能在這些小行星中停留數十億年，繞著太陽系運行。

歐洲太空總署的”蓋亞”任務旨在繪製最大、最精確的天空萬物三維地圖。研究人員可以利用這些極為精確的結果來研究小行星的運動，並找出哪些小行星的密度可能異常大。目前正在執行太空任務，從小行星表面收集材料，並帶回地球進行分析。美國國家航空暨太空總署（NASA）和日本國家宇宙航空研究開發機構（JAXA）都以低密度近地小行星為目標，並取得了成功。就在本月，NASA 的OSIRIS-REx 任務帶回了一個樣本。雖然樣本的分析才剛開始，但它極有可能蘊藏著數十億年來累積的含有超重元素的塵埃。

Psyche 太空船已經離開地球。它將利用火星的引力場帶著它靠近小行星。然後它將圍繞小行星運行並收集數據。資料來源：NASA/JPL-Caltech

將一個品質密集的塵埃和岩石樣本帶回地球就足夠了。NASA的Psyche任務將於2023年10月發射，它將飛往一顆富含金屬的小行星並對其進行採樣，這顆小行星蘊藏超重元素的幾率更大。更多類似的小行星任務將幫助科學家更了解太陽系中運行的小行星的特性。

多了解小行星和探索超重元素的潛在來源，將有助於科學家繼續進行跨世紀的探索，以確定構成宇宙的物質的特徵，並更好地了解太陽系中的天體是如何形成的。