Мощнейший в мире рентгеновский лазер превратил атом в «черную дыру»

«Сила, с которой электроны притягивались к атому йода в данном случае, была гораздо большей, чем та, которую бы вырабатывала, к примеру, черная дыра с массой в десять Солнц. В принципе, гравитационное поле любой черной дыры звездной массы не способно сопоставимым образом действовать на электрон, даже если его вплотную приблизить к горизонту событий», — рассказывает Робин Сантра (Robin Santra) из Немецкого синхротронного центра DESY.

Сантра и его коллеги создали подобную миниатюрную «черную дыру», сфокусировав весь луч рентгеновского лазера LCLS, пока самой мощной установки подобного рода в мире, на точке шириной всего в 100 нанометров. Это примерно равно длине крупной органической молекулы и в несколько сотен раз меньше ширины пучка, обычно применяющегося в опытах с подобными излучателями.

Благодаря этому мощность лазерного пучка достигла десяти миллиардов гигаватт на квадратный сантиметр, вплотную подобравшись к отметке, где начинают проявляться ультрарелятивистские эффекты и свет начинает спонтанно превращаться в материю и антиматерию.

Столкновение такого импульса с одиночными атомами ксенона и йода, как показали первые опыты физиков, приводит к тому, что они теряют фактически все свои электроны и приобретают фантастически высокую степень окисления — +48 или +47, в результате чего возникает рекордно высокий положительный заряд.

Ученые решили проверить, как этот заряд может повлиять на поведение других молекул и атомов, соединив йод с молекулами метана и этана, «прозрачными» для рентгена и не реагирующими на облучение подобными лучами.

Результаты этих опытов оказались фантастическими — облучение таких молекул лазером всего на протяжении 30 наносекунд привело к тому, что атомы йода превратились в своеобразные электрические «черные дыры» на мгновения после того, как их «прошил» рентгеновский пучок.

Эти атомы, вопреки ожиданиям ученых, потеряли гораздо больше электронов — не 46 или 47, а 53 или 54 частицы. На этом процесс не остановился, и атомы йода, подобно сверхмассивным черным дырам, начали перетягивать на себя электроны из других частей молекулы, разгонять и «выплевывать» их в виде пучков, похожих на выбросы их космических «кузенов».

В результате этого вся молекула йодметана фактически мгновенно дезинтегрировала себя, прожив всего триллионную долю секунды после начала обстрела лазером. Нечто подобное, как полагают ученые, может происходить при контакте живых организмов с рентгеновским излучением, и изучение этого процесса поможет нам понять, как можно снизить или нейтрализовать вред от радиации.

«Йодометан — относительно простая молекула, которая помогает нам понимать то, что происходит с органическими молекулами при их повреждении радиацией. Мы полагаем, что эта реакция протекает еще более бурно в йодэтане и других сложных молекулах, где йод может „выбрасывать“ до 60 электронов, однако пока мы не знаем, как его можно описать. Решение этой задачи является нашей следующей целью», — заключает Артем Руденко из университета штата Канзас (США), первый автор статьи.

Рентгеновский лазер LCLS позволил физикам «катапультировать» почти все электроны одного атома в молекуле и временно превратить его в миниатюрный аналог черной дыры, притягивающей к себе электроны с силой ее космического собрата, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature. «Сила, с которой электроны притягивались к атому йода в данном случае, была гораздо большей, чем та, которую бы вырабатывала, к примеру, черная дыра с массой в десять Солнц. В принципе, гравитационное поле любой черной дыры звездной массы не способно сопоставимым образом действовать на электрон, даже если его вплотную приблизить к горизонту событий», — рассказывает Робин Сантра (Robin Santra) из Немецкого синхротронного центра DESY. Сантра и его коллеги создали подобную миниатюрную «черную дыру», сфокусировав весь луч рентгеновского лазера LCLS, пока самой мощной установки подобного рода в мире, на точке шириной всего в 100 нанометров. Это примерно равно длине крупной органической молекулы и в несколько сотен раз меньше ширины пучка, обычно применяющегося в опытах с подобными излучателями. Благодаря этому мощность лазерного пучка достигла десяти миллиардов гигаватт на квадратный сантиметр, вплотную подобравшись к отметке, где начинают проявляться ультрарелятивистские эффекты и свет начинает спонтанно превращаться в материю и антиматерию. Столкновение такого импульса с одиночными атомами ксенона и йода, как показали первые опыты физиков, приводит к тому, что они теряют фактически все свои электроны и приобретают фантастически высокую степень окисления — 48 или 47, в результате чего возникает рекордно высокий положительный заряд. Ученые решили проверить, как этот заряд может повлиять на поведение других молекул и атомов, соединив йод с молекулами метана и этана, «прозрачными» для рентгена и не реагирующими на облучение подобными лучами. Результаты этих опытов оказались фантастическими — облучение таких молекул лазером всего на протяжении 30 наносекунд привело к тому, что атомы йода превратились в своеобразные электрические «черные дыры» на мгновения после того, как их «прошил» рентгеновский пучок. Эти атомы, вопреки ожиданиям ученых, потеряли гораздо больше электронов — не 46 или 47, а 53 или 54 частицы. На этом процесс не остановился, и атомы йода, подобно сверхмассивным черным дырам, начали перетягивать на себя электроны из других частей молекулы, разгонять и «выплевывать» их в виде пучков, похожих на выбросы их космических «кузенов». В результате этого вся молекула йодметана фактически мгновенно дезинтегрировала себя, прожив всего триллионную долю секунды после начала обстрела лазером. Нечто подобное, как полагают ученые, может происходить при контакте живых организмов с рентгеновским излучением, и изучение этого процесса поможет нам понять, как можно снизить или нейтрализовать вред от радиации. «Йодометан — относительно простая молекула, которая помогает нам понимать то, что происходит с органическими молекулами при их повреждении радиацией. Мы полагаем, что эта реакция протекает еще более бурно в йодэтане и других сложных молекулах, где йод может „выбрасывать“ до 60 электронов, однако пока мы не знаем, как его можно описать. Решение этой задачи является нашей следующей целью», — заключает Артем Руденко из университета штата Канзас (США), первый автор статьи.