Мои постоянные читатели знают, что ранее я не раз затрагивал на Хабре тему скрытой массы и поиск гипотетических частиц или объектов, из которых может состоять тёмная материя. Базовый минимум о тёмной материи на русском языке изложен в отличной книге Йостейна Кристиансена «Невидимая Вселенная», вышедшей в 2022 году. Чаще всего рассматривается два основных варианта «скрытой массы»: либо предполагается, что она состоит из каких-то пока не известных частиц, не взаимодействующих с обычной материей, либо заключена в чёрных дырах. В первом случае речь может идти о материи из аксионов — об этих частицах на Хабре рассказывал уважаемый @BiktorSergeev в статье «Аксион: частица, которая может объяснить темную материю». Во втором случае скрытая масса может приходиться на пока не открытые микроскопические первичные чёрные дыры, рассеянные в пространстве и обладающие огромной гравитацией. Эту точку зрения популяризует уважаемый Валерий Исаковский @valisak в статье «Cага о первичных чёрных дырах: призрак Стивена Хокинга и генезис невидимой Вселенной». А я публиковал на Хабре переводную статью «Что если мы никогда не найдём тёмную материю?», в которой приводил инфографику в форме диаграммы Венна, демонстрирующую соотношение различных частиц-кандидатов на роль тёмной материи и таблицу с обзором их возможных свойств.

Есть и ещё одна относительно маргинальная теория о том, что сверхтяжёлая неучтённая материя может входить в состав CUDO – «компактных ультраплотных объектов», которые могут содержать химические элементы с атомным числом до 164 и находиться в глубине метеоритов и астероидов, под слоем обычной материи. Одним из самых известных подобных объектов в Солнечной системе может быть астероид Полигимния, о котором мы и поговорим под катом.

Полигимния – это крупный астероид диаметром примерно 54 км. Эту карликовую планету, названную так в честь древнегреческой музы эпической поэзии, открыл в 1854 году астроном Жан Шакорнак, работавший в Марселе.

(33) Полиги́мния — астероид главного пояса. Открыт в 1854 году французским  астрономом Жаном Шакорнаком в Марсельской обсерватории. Астероид имеет самую вытянутую орбиту среди астероидов первой сотни.

В 2012 году исследовательская группа под руководством Бенуа Кэрри оценила массу Полигимнии в (6.20±0.74)×10¹⁸ кг на основе ее гравитационного влияния на другие тела Солнечной системы. Однако, учитывая диаметр Полигимнии, примерно 54 км, эта масса предполагает чрезвычайно высокую плотность – 75,28±9,71 г/см³. Такая высокая плотность несовместима со свойствами наблюдаемой на Земле материи, поэтому такая оценка массы и плотности Полигимнии выглядит ненадёжной и требует дополнительного/неочевидного объяснения.

Астероиды и металлы

Ранее я публиковал на Хабре статью «Астероид как роскошь и средство передвижения», в которой рассказывал о потенциальной научной и коммерческой пользе разработки астероидов как обособленных космических скал. В свою очередь, уважаемый Василий @tnenergy на рубеже 2016-2017 года представил вашему вниманию две части замечательного исследования «Астероиды и мы». Эти статьи посвящены, в основном, импактной опастности астероидов и потенциальным способам искусственного изменения их траекторий. Однако в этих статьях автор немного разбирает и минеральный состав астероидов. Этот состав (железо, никель, оливин) позволяет предположить, что  золото и другие тяжёлые металлы на Земле в значительной степени имеют астероидное происхождение. Подробнее остановимся на химическом составе астероидов.

Известно три основных типа астероидов: углеродистые, кремниево-металлические и металлические. Они обозначаются, соответственно, как C-тип, S-тип и M-тип.

Большой пояс астероидов, расположенный между Марсом и Юпитером, условно делится на внешнюю, центральную и внутреннюю часть. Во внешней части астероидов абсолютное большинство тел — углеродистые; впрочем, и в масштабах всего пояса астероидов их доля доходит до 80%. Это сравнительно лёгкие тела, аналогичные по составу хондритам — наиболее распространённым метеоритам. Здесь (с. 8) показана современная классификация метеоритов:

Кроме углерода в составе астероидов C-типа также в небольших количествах содержатся азот, кислород и водород. Это лёгкие элементы, поэтому плотность астероидов C-типа составляет около 1,7 г/см³.

Кремниево-металлические астероиды расположены на периферии главного пояса. Они состоят из силикатных пород (имеющих в составе SiO₂), а также из примесей железа и магния. Таких астероидов около 17% от общего количества, их плотность составляет в среднем 3 г/см³.

Наконец, металлические астероиды M-типа расположены в центральной части большого пояса. Примерно на 80% они состоят из железа, а на 20% — из никеля, иридия, палладия, платины, золота, осмия, рутения и родия. Периодический закон Менделеева способствует концентрации элементов со схожими электронными оболочками рядом друг с другом, и в M-астероидах высока концентрация платиновых металлов, компактно расположенных в группах VIIIB1, VIIIB2 и VIIIB3  периодической таблицы:

В этой области таблицы Менделеева сосредоточены металлы, обладающие максимальной плотностью, в особенности, осмий и иридий.

Разумеется, такой высокой плотности ни один астероид иметь не может, так как не существует ни цельнометаллических астероидов, ни глыб, в которых металлы значительно преобладали бы над каменистыми породами. Кроме того, уверенно оценить плотность астероидов затруднительно, так как это небольшие тела неправильной формы, меняющие положение относительно наблюдателя. Поэтому плотность и массу астероидов определяют косвенными методами, по их гравитационному воздействию на окружающие тела. Одним из наивысших значений плотности свыше 5 г/см³ обладает (216) Клеопатра. 

Таким образом, плотность Полигимнии кажется в разы выше, чем у чистых осмия и иридия, а также в десятки раз выше, чем у металлосодержащих астероидов.

Одним из гипотетических объяснений этой плотностной аномалии могла бы быть насыщенность коры Полигимнии сверхтяжёлыми элементами. Это гипотетические элементы с атомными номерами 121-164; характеристики этих ядер изложены, например, в данной статье, подготовленной под руководством Нефёдова в Институте общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова. Устойчивость этих элементов должна быть выше, чем у теннесина (Ts) и оганесона (Og), завершающих седьмой период таблицы Менделеева. Близ поверхности Земли такие элементы отсутствуют; согласно некоторым геологическим моделям, они могли погрузиться в глубокие слои мантии под действием  субдукции тектонических плит. Такую гипотезу в 2023 году попытались проверить Ян Рафельски с физического факультета Аризонского университета в Тусоне вместе с коллегами Эваном Лафоржем и Уиллом Прайсом. Они смоделировали свойства элементов с атомным номером вплоть до 164, опираясь на модель Томаса-Ферми, которая была сформулирована в 1927 году, а впоследствии исследовалась при поисках «острова стабильности» сверхтяжёлых атомных ядер. Группа Рафельски пришла к выводу, что элементы с атомным номером около 164 должны обладать плотностью 36,0 – 68,4 г/см³, и это достаточно близко к измеренной плотности Полигимнии.   

Кроме того, Полигимния могла бы достигать такой высокой плотности, если бы содержала не обычные атомы, а зёрна сверхплотной экзотической материи. Такие сгустки Ян Рафельски назвал «компактные сверхплотные объекты» (CUDO) и теоретически описал в 2013 году статье, написанной совместно с Лэнсом Лабуном и Джеремией Бирреллом, где охарактеризовал их как мельчайшие сверхплотные метеориты. В том же году он полнее описывал физические свойства CUDO в другой статье, написанной совместно с Кристофером Дитлем и Лэнсом Лабуном.

CUDO и тёмная материя

Как я указывал над катом, CUDO — очередная попытка объяснить «лишнюю» массу (тёмную материю) без привлечения экзотических частиц. По мысли Рафельски с соавторами, зёрна сверхплотной материи могут образовываться даже из одних протонов; вероятно, уже сгусток из 10-22 протонов, не являющийся атомным ядром (то есть, не содержащий нейтронов) может оказывать на окружающую материю достаточное гравитационное воздействие, чтобы такое зерно стало обрастать слоем обычных атомов. Другой вариант материала для образования CUDO – это сгустки альфа-частиц (ядер гелия), так называемая «альфа-материя». По мнению Рафельски, Лафоржа и Прайса «альфа-материя» может образовываться не только из ядер гелия, но и из углерода-12 и кислорода-16. При достаточно высоком давлении атомы в таких зёрнах могут образовывать общие электронные облака, приближаясь по свойствам к конденсату Бозе-Эйнштейна, но не за счёт поддержания сверхнизких температур (при помощи которых вещество доводят до этого экзотического состояния в лаборатории), а за счёт сверхплотного расположения самих ядер. Более того, эти модели возвращают нас к атомам с числом протонов около 164: возможно, при компактном расположении столь крупные атомы образуют общие электронные облака, тем самым противодействуя известному нам радиоактивному распаду.

Миссия "Psyche" и изучение астероидов с орбиты

На момент подготовки этой статьи экспедиции к астероиду Полигимния не планируются, однако отработка методов зондирования металлических астероидов уже идёт. В 2016 году NASA запустила автоматическую межпланетную станцию «OSIRIS-REx», одни из основных задач которой заключаются во взятии образцов с астероида (101955) Бенну и в исследовании астероида (99942) Апофис — последний должен близко подойти к Земле в 2029, 2036 и 2068 годах. OSIRIS-REx вышел на орбиту Бенну в 2018 году и изучал его поверхностный состав, массу и альбедо в течение двух лет, после чего взял образцы его пород и в 2020 году в специальной капсуле отправил на Землю. Образцы были благополучно получены в конце 2023 года.  

Аналогичная миссия «Psyche» была запущена в октябре 2023 года. Выше я привёл план её работы и карту движения до 2031 года. В 2029 году аппарат должен выйти на орбиту астероида (16) Психея, который определённо богат металлами и является типичным представителем класса M. Среди  оборудования, которым оснащена Psyche — камеры, снимающие как в оптическом, так и в ближнем инфракрасном спектре, спектрометр и магнетометр (металлический астероид должен обладать собственным магнитным полем).  

Астероид Психея был выбран в качестве первоочередной цели для экспедиции во многом потому, что при достаточно крупном размере (диаметр 226 километров) напоминает железокаменный фрагмент, который может быть близок по составу к глубинным земным породам. Более того, возможно, это одна из последних первобытных планетезималей — тел, из которых, согласно имеющимся моделям, сложились скалистые планеты, в том числе, Земля (другой пример вероятной планетезимали – астероид (21) Лютеция). Бурение таких астероидов пока кажется неосуществимым, но с каждой такой экспедицией повышается шанс на успешный визит к Полигимнии.

Заключение

Учитывая современные представления о модели атома и о геохимии астероидов, оценка плотности Полигимнии представляется нереалистичной. Если она действительно содержит зёрна экзотической материи, сравнимой по плотности с теоретически смоделированными суперактиноидами или альфа-материей, эти зёрна будет непросто найти, не просеяв весь астероид или не изобретя таких спектрографических методов, которые позволят находить CUDO в толще пород. Но, поскольку астероиды, планеты земной группы, а также (вероятно) каменные ядра Урана и Нептуна и спутники планет-гигантов сформировались из одного протопланетного облака, изучение сверхтяжёлых астероидов равноценно изучению голых недр Земли. Даже без экзотической материи выглядит как игра, которая стоит свеч.