La quête de la stabilité des éléments super-lourds : un aperçu des étoiles

par Liam O'Connor
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superheavy elements

La recherche d’éléments superlourds stables, avec des estimations indiquant que ceux possédant environ 164 protons, se poursuit alors que les scientifiques étudient la possibilité que les astéroïdes puissent servir de référentiels pour ces structures atomiques insaisissables. Les efforts spatiaux actuels visent à obtenir et à examiner des spécimens d’astéroïdes à la recherche de traces de tels éléments, ce qui pourrait remodeler notre compréhension de la théorie atomique et de l’univers au sens large.

Historiquement, la découverte de nouveaux éléments a été une ambition scientifique importante, avec des progrès dans la compréhension de la composition atomique et de la science nucléaire permettant la transmutation des éléments, autrefois le domaine des aspirations alchimiques.

Ces dernières années, des équipes de recherche de pays comme les États-Unis, l’Allemagne et la Russie ont exploité une technologie sophistiquée pour fusionner des noyaux atomiques, aboutissant ainsi à la création de nouveaux éléments super-lourds.

Ces éléments sont connus pour leur instabilité due au nombre accru de protons dans leurs noyaux, ce qui entraîne généralement des forces électromagnétiques qui dominent les forces nucléaires qui lient le noyau. Actuellement, le tableau périodique comprend des éléments contenant jusqu'à 118 protons.

On a émis l’hypothèse qu’un « nombre magique » d’environ 164 protons pourrait atteindre un équilibre dans lequel les forces nucléaires contrecarreraient la répulsion électromagnétique, conduisant à un hypothétique « îlot de stabilité ».

La synthèse en laboratoire s’avérant difficile, les chercheurs élargissent leurs recherches aux sources extraterrestres. Comprendre les propriétés de ces éléments, telles que leurs densités de masse, est un aspect essentiel de cette quête.

Évaluation de la densité de masse

Mes collègues et moi-même avons commencé à estimer la densité de masse de ces éléments super-lourds, une caractéristique essentielle pour comprendre leur comportement nucléaire et leurs cachettes potentielles.

Notre approche consistait à modéliser ces éléments sous forme de grands nuages chargés, une technique particulièrement adaptée aux structures atomiques de grande taille, notamment métalliques dans un réseau. La validation de notre modèle par rapport aux densités connues nous a permis de prédire la densité des éléments au sein de l'îlot de stabilité présumé.

Nos calculs conservateurs suggèrent que les métaux super-lourds stables dont le numéro atomique est voisin de 164 pourraient avoir des densités allant de 36 à 68 g/cm³. Toutefois, compte tenu du caractère conservateur de nos hypothèses, les chiffres réels pourraient être considérablement plus élevés.

Le lien entre les astéroïdes et les éléments denses

L’hypothèse selon laquelle des éléments lourds comme l’or auraient été amenés sur Terre par des astéroïdes donne de la crédibilité à la possibilité que des éléments superlourds aient partagé un sort similaire. Cependant, en raison de processus géologiques tels que la subduction tectonique, ces éléments couleraient probablement sous la croûte terrestre, les rendant ainsi inaccessibles. À l’inverse, les astéroïdes pourraient conserver ces éléments.

L'astéroïde le plus massif connu, surnommé Polyhymnia, présente une densité calculée qui dépasse de loin celle de l'osmium, l'élément naturel le plus dense sur Terre, bien que ces mesures comportent des incertitudes en raison des défis logistiques liés à l'évaluation des corps célestes distants.

Des phénomènes astronomiques, tels que la fusion d’étoiles binaires, pourraient générer les conditions nécessaires à la formation d’éléments super-lourds stables. Par la suite, ces éléments pourraient rester encapsulés dans les astéroïdes pendant des éons.

Perspectives à venir

La mission Gaia de l'Agence spatiale européenne devrait fournir la carte céleste 3D la plus détaillée à ce jour, qui pourrait révéler des astéroïdes présentant des densités anormales indiquant la présence d'éléments super-lourds.

Les missions de récupération d'échantillons, comme OSIRIS-REx de la NASA, ont déjà renvoyé du matériel provenant d'astéroïdes de faible densité, avec des analyses dans leurs phases initiales. Même si les perspectives restent minces, il est possible que ces échantillons contiennent des éléments super-lourds.

En outre, la mission Psyché de la NASA devrait collecter des données sur un astéroïde métallique, augmentant potentiellement la probabilité de trouver des éléments super-lourds. La poursuite de ces missions promet d’approfondir notre compréhension du cosmos et de l’évolution de notre système solaire.

Rédigé par Johann Rafelski, professeur de physique à l'Université de l'Arizona, avec les contributions d'Evan LaForge et Will Price, étudiants en physique à l'université.

Basée sur un article de The Conversation, cette adaptation offre un aperçu de la recherche originale publiée dans The European Physical Journal Plus.

Citation : LaForge, E., Price, W. et Rafelski, J. (2023). Éléments super-lourds et matière ultradense. Le Journal Européen de Physique Plus, DOI : 10.1140/epjp/s13360-023-04454-8

Foire aux questions (FAQ) sur les éléments super-lourds

Que sont les éléments super-lourds et pourquoi sont-ils importants ?

Les éléments superlourds sont des éléments atomiques avec un nombre élevé de protons dans leur noyau, censés avoir des propriétés de stabilité uniques. Ils sont importants car ils pourraient élargir notre compréhension du tableau périodique et offrir un aperçu de la physique nucléaire et de la formation cosmique.

Comment les astéroïdes pourraient-ils être connectés à des éléments super-lourds ?

Les astéroïdes peuvent contenir des éléments super-lourds, ayant potentiellement transporté ces matériaux denses sur Terre, un peu comme ils l'ont fait avec d'autres métaux lourds. Les scientifiques émettent l'hypothèse que des versions stables de ces éléments pourraient encore être trouvées dans le noyau des astéroïdes.

Qu’est-ce que « l’îlot de stabilité » en physique nucléaire ?

L'« îlot de stabilité » fait référence à une zone prévue dans le tableau périodique où les éléments super-lourds comportant un certain nombre de protons (environ 164) pourraient présenter une stabilité due à un équilibre des forces nucléaires, contrairement à la plupart des éléments lourds qui sont instables.

Quels sont les défis liés à la détection des éléments super-lourds ?

La détection des éléments super-lourds est un défi en raison de leur instabilité et de leur rareté. Ils sont difficiles à créer et à maintenir en laboratoire et on pense qu’ils sont presque épuisés à la surface de la Terre en raison de processus géologiques.

Comment les futures missions spatiales pourraient-elles contribuer à l’étude des éléments super-lourds ?

Les futures missions spatiales pourraient aider en récupérant des échantillons d’astéroïdes et en les renvoyant sur Terre pour analyse. Des missions comme OSIRIS-REx et Psyche de la NASA visent à collecter des données et des échantillons d'astéroïdes susceptibles de contenir ces éléments insaisissables, offrant ainsi de nouvelles opportunités de recherche.

En savoir plus sur les éléments super-lourds

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5 commentaires

Mike O'Reilly novembre 6, 2023 - 5:14 am

excellent article mais il y a une faute de frappe dans le deuxième paragraphe, devrait être « avoir » et non « a » quand on parle des éléments

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Ethan K. novembre 6, 2023 - 11:01 am

la partie sur l'îlot de stabilité est fascinante, mais comment peuvent-ils même prédire que 164 est le nombre magique, cela me semble un peu aléatoire

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Samantha B. novembre 6, 2023 - 11:04 am

je dois dire que c'est plutôt cool de penser aux secrets que les astéroïdes pourraient détenir, je n'y avais jamais pensé comme ça auparavant

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Jenna Smith novembre 6, 2023 - 2:32 pm

des choses vraiment intéressantes ici, mais je pense que vous auriez pu approfondir un peu la façon dont ces éléments sont créés exactement ? comme dans les étoiles ou autre

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Lucie Mendoza novembre 6, 2023 - 4:24 pm

J'ai raté une occasion de lier cela à une situation plus large, par exemple, comment cela m'affecte-t-il ou affecte-t-il la personne moyenne, est-ce que cela a des utilisations pratiques ?

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