Вчені створили на землі аналог чорної діри

Відео: ШОКУЮЧІ факти про чорні діри

Міжнародному колективу вчених вдалося встановити, що в процесі опромінення потужним рентгенівським випромінюванням органічних молекул утворюється аналог чорної діри мікроскопічних розмірів. Завдяки даному відкриттю вчені зможуть більш детально вивчити структуру біологічних матеріалів і складних молекул.

Рентгенівський лазер на вільних електронах є видом лазерів, що генерують рентгенівське випромінювання, яке підходить для вивчення структури біологічних молекул. У таких лазерах в якості робочого тіла застосовується пучок електронів, які рухаються через пристрій, що складається з ряду магнітів (вігглер або ондулятор) по синусоїдальної траєкторії. У процесі відбувається процес випромінювання фотонів електронами, які формують вузький конус рентгенівського випромінювання.

Рентгенівські промені - це електромагнітні хвилі, довжина яких відносно невелика, завдяки чому їх можна використовувати для вивчення вкрай малих об`єктів. Чим менше буде довжина хвилі, тим більше дрібні об`єкти можна з їх допомогою розглядати. У той же час, існує одна істотна проблема: у короткохвильового випромінювання дуже висока енергія. В кінцевому підсумку, в процесі вивчення вчені не дізнаються структуру біологічної молекули, а просто спалюють її. У вирішенні даної проблеми велику роль відіграють Фемтосекундний лазери - тобто, прилади надкоротких імпульсів.

Фемтосекунда є однією квадрильйонів часток секунди. Імпульси рентгенівського випромінювання, які породжуються лазерами подібного типу, мають тривалість близько 5-50 фемтосекунд. При наявності коротких, але дуже потужних імпульсів розглянутий зразок не руйнується до того моменту, поки дослідники не отримають його зображення. Необхідно, втім. Відзначити, що і в такому випадку існують певні обмеження. Надпотужні імпульси можна використовуватися для вивчення складних біологічних систем і матеріалів, але вони абсолютно непридатні для проведення фундаментальних досліджень молекул, для яких, як правило, використовується рентгенівське випромінювання меншої потужності.

У процесі опромінення атомів за допомогою інтенсивного рентгенівського випромінювання вони, за рахунок багатофотонного поглинання, досягають високого ступеня іонізації. У тих молекулах, які складаються з різних атомів, іонізується найважчий атом (який має вище порядковий номер) в тому випадку, якщо ймовірність поглинання фотонів у нього вище, ніж у сусідніх атомів. Потім відбувається розподіл отриманого заряду по всій молекулі. Подібного роду іонізація може провокувати локальні пошкодження зразка, в результаті чого загальна картина може спотворюватися.

Вченим вдалося спрогнозувати можливі спотворення в процесі використання не надто інтенсивних або м`яких рентгенівських імпульсів. З цією метою були розроблені моделі, засновані на ізольованому атомі, іонізованому при тих же умовах. У той же час, вчені не знали, чи можливо моделювання подібних процесів в багатоатомних молекулах при більш інтенсивному і жорсткому випромінюванні.

Для відповіді на це питання вченим довелося скористатися лазером на вільних електронах, який знаходиться в США в Національної прискорювальної лабораторії SLAC. Молекули йодбензолу і газоподібного іодметана і ізольовані атоми ксенону вчені піддали дії рентгенівського випромінювання, інтенсивність якого досягала 1019 ват на сантиметр квадратний при енергії фотонів 8,3 кілоелектронвольт. Кожен імпульс тривав менше 30 фемтосекунд. В процесі вчені вимірювали кінетичну енергію і вихід утворилися іонів.

Було встановлено, що максимальні рівні іонізації іонів йоду і атомів ксенону були практично ідентичні (47+ та 48+). Нічого подібного вчені не спостерігали в дослідженнях з менш потужним рентгенівським випромінюванням при енергії фотонів 5,5 кілоелектронвольт, в яких рівень іонізації був вище у окремих атомів, ніж у атомів з близьким порядковим номером в молекулі. Вченим вдалося отримати найвищий заряд молекули іодметана, рівний 54+ (іншими словами, рентген вибив з молекули 54 електрона), що було більше максимального позитивного заряду ксенону.

Для пояснення отриманого результату фізики використовували теоретичну модель. Вуглець і водень, які містяться в іоні йоду, в незначній мірі поглинають фотони за рахунок невеликого ефективного перетину. Ця величина допомагає визначити ймовірність взаємодії атома і частки, і залежить вона від розмірів атома.

Більший атом йоду має більшу ефективний перетин. Практично всі фотони, поглинені молекулою, припадають на нього, що і призводить до іонізації, при якій втрачається 47 електронів. У той же час відбувається процес іонізації вуглецю, але він втрачає всього 4 електрона. Таким чином, виникає ефект Оже, при якому атом перестає бути стійким, тому змушений заповнювати місця, що звільнилися електронами з зовнішніх електронних оболонок. В кінцевому підсумку відбувається виділення енергії, яка передається іншим електронам, змушуючи їх покинути атом. Процес, таким чином, стає каскадним. Відбувається формування високого позитивного заряду, локалізованого в атомі йоду.

Відео: Стівен Хокінг: якщо ви потрапили в чорну діру, не здавайтеся, вихід є

Згідно з твердженнями вчених, саме за рахунок цього йод перетворюється в свого роду молекулярний аналог чорної діри, яка затягує в себе електрони, що знаходяться на сусідніх атомах. Сила тяжіння, яка обумовлена ​​електромагнітним взаємодією, перевищує силу, з якою астрономічна чорна діра могла б подіяти на електрони масою в 10 Сонць. В процесі заповнення своїх спорожнілих оболонок йод втрачає майже весь свій негативний заряд. Весь процес займає лічені фемтосекунди, за рахунок чого даний тип іонізації є одним з найбільш швидких.

Механізм, який запропонували дослідники, і який отримав назву CREXIM, дає можливість прогнозувати експериментальні дані. Це має велике значення, так як чорні діри провокує розрив позитивним зарядом (за рахунок сили відштовхування) молекули на частини, що призводить до спотворення одержуваного зображення. У цьому процесі іодметан є модельною молекулою, по якій можна спрогнозувати поведінку більш складних молекул.