Zgodnie z artykułem opublikowanym w czasopiśmie Nature, laser rentgenowski LCLS pozwolił fizykom „katapultować” prawie wszystkie elektrony pojedynczego atomu w cząsteczce i tymczasowo przekształcić go w miniaturowy analog czarnej dziury, przyciągając do siebie elektrony z siłą swojego kosmicznego odpowiednika.
© RIA Novosti / Alina Polyanina // DESY / Science Communication Lab
„Siła, z jaką elektrony były przyciągane do atomu jodu w tym przypadku, była znacznie większa niż ta, która byłaby generowana na przykład przez czarną dziurę o masie dziesięciu Słońc. W zasadzie pole grawitacyjne jakiejkolwiek czarnej dziury o masie gwiazdowej nie jest w stanie oddziaływać na elektron w porównywalny sposób, nawet jeśli znajduje się bardzo blisko horyzontu zdarzeń”- mówi Robin Santra z Niemieckiego Centrum Synchrotronowego DESY.
Santra i jego koledzy stworzyli podobną miniaturową czarną dziurę, skupiając całą wiązkę lasera rentgenowskiego LCLS, obecnie najpotężniejszego tego typu na świecie, w punkcie o szerokości zaledwie 100 nanometrów. Jest to w przybliżeniu równa długości dużej cząsteczki organicznej i kilkaset razy mniejsza niż szerokość wiązki zwykle stosowana w eksperymentach z takimi emiterami.
Dzięki temu moc wiązki laserowej osiągnęła dziesięć miliardów gigawatów na centymetr kwadratowy, zbliżając się do punktu, w którym zaczynają się manifestować ultrarelatywne efekty, a światło zaczyna samorzutnie zamieniać się w materię i antymaterię.
Zderzenie takiego impulsu z pojedynczymi atomami ksenonu i jodu, jak pokazują pierwsze eksperymenty fizyków, prowadzi do tego, że tracą one praktycznie wszystkie swoje elektrony i uzyskują fantastycznie wysoki stopień utlenienia - +48 lub +47, co skutkuje rekordowo wysokim ładunkiem dodatnim.
Naukowcy postanowili sprawdzić, jak ładunek ten może wpływać na zachowanie innych cząsteczek i atomów, łącząc jod z cząsteczkami metanu i etanu, które są „przezroczyste” dla promieni rentgenowskich i nie reagują na takie promienie.
Wyniki tych eksperymentów okazały się fantastyczne - naświetlanie takich cząsteczek laserem przez zaledwie 30 nanosekund doprowadziło do tego, że atomy jodu zamieniły się na chwilę w rodzaj elektrycznych czarnych dziur po przebiciu ich wiązką promieniowania rentgenowskiego.
Film promocyjny:
Atomy te, wbrew oczekiwaniom naukowców, straciły znacznie więcej elektronów - nie 46 czy 47, ale 53 lub 54 cząstki. Proces na tym się nie zakończył, a atomy jodu, niczym supermasywne czarne dziury, zaczęły przyciągać do siebie elektrony z innych części cząsteczki, rozpraszać je i „wypluwać” w postaci wiązek podobnych do wyrzutów ich kosmicznych „kuzynów”.
W rezultacie cała cząsteczka jodometanu praktycznie natychmiast się rozpadła, żyjąc zaledwie jedną bilionową sekundy po rozpoczęciu ognia lasera. Coś podobnego, jak uważają naukowcy, może wystąpić, gdy żywe organizmy wejdą w kontakt z promieniami rentgenowskimi, a badanie tego procesu pomoże nam zrozumieć, jak zmniejszyć lub zneutralizować szkody spowodowane promieniowaniem.
„Jodometan to stosunkowo prosta cząsteczka, która pomaga nam zrozumieć, co dzieje się z cząsteczkami organicznymi, gdy zostaną uszkodzone przez promieniowanie. Uważamy, że ta reakcja zachodzi jeszcze gwałtowniej w jodoetanie i innych złożonych cząsteczkach, w których jod może emitować do 60 elektronów, ale nie wiemy jeszcze, jak można to opisać. Rozwiązanie tego problemu jest naszym kolejnym celem”- podsumowuje Artem Rudenko z University of Kansas (USA), pierwszy autor artykułu.