De LCLS-röntgenlaser heeft het natuurkundigen mogelijk gemaakt om bijna alle elektronen van een enkel atoom in een molecuul te 'katapulteren' en het tijdelijk te transformeren in een miniatuuranaloog van een zwart gat, waarbij elektronen naar zichzelf worden aangetrokken met de kracht van zijn kosmische tegenhanger, volgens een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
© RIA Novosti / Alina Polyanina // DESY / Science Communication Lab
“De kracht waarmee de elektronen naar het jodiumatoom werden aangetrokken, was in dit geval veel groter dan die zou worden opgewekt door bijvoorbeeld een zwart gat met een massa van tien zonnen. In principe kan het zwaartekrachtveld van een zwart gat met een stellaire massa niet op een vergelijkbare manier inwerken op een elektron, zelfs niet als het zich heel dicht bij de waarnemingshorizon bevindt”, zegt Robin Santra van het Duitse Synchrotron Center DESY.
Santra en zijn collega's creëerden een soortgelijk miniatuurzwart gat door de volledige straal van de LCLS-röntgenlaser, momenteel de krachtigste in zijn soort ter wereld, te focussen op een punt van slechts 100 nanometer breed. Dit is ongeveer gelijk aan de lengte van een groot organisch molecuul en honderden keren kleiner dan de bundelbreedte die gewoonlijk wordt gebruikt bij experimenten met dergelijke emitters.
Dankzij dit bereikte het vermogen van de laserstraal tien miljard gigawatt per vierkante centimeter, en kwam het dicht bij het punt waarop ultrarelativistische effecten zich beginnen te manifesteren en licht spontaan in materie en antimaterie begint te veranderen.
De botsing van een dergelijke puls met enkele atomen van xenon en jodium, zoals aangetoond door de eerste experimenten van natuurkundigen, leidt ertoe dat ze vrijwel al hun elektronen verliezen en een fantastisch hoge oxidatietoestand krijgen - +48 of +47, wat resulteert in een recordhoge positieve lading.
Wetenschappers besloten om te testen hoe deze lading het gedrag van andere moleculen en atomen kan beïnvloeden door jodium te combineren met methaan- en ethaanmoleculen die "transparant" zijn voor röntgenstraling en niet reageren op dergelijke straling.
De resultaten van deze experimenten bleken fantastisch te zijn - bestraling van dergelijke moleculen met een laser gedurende slechts 30 nanoseconden leidde ertoe dat jodiumatomen enkele ogenblikken veranderden in een soort elektrische zwarte gaten nadat ze waren doorboord door een röntgenbundel.
Promotie video:
Deze atomen verloren, in tegenstelling tot de verwachtingen van wetenschappers, veel meer elektronen - niet 46 of 47, maar 53 of 54 deeltjes. Het proces stopte daar niet, en de jodiumatomen begonnen, net als superzware zwarte gaten, elektronen uit andere delen van het molecuul te trekken, ze te verspreiden en "uit te spugen" in de vorm van stralen die vergelijkbaar zijn met de uitstoot van hun kosmische "neven".
Het resultaat was dat het hele joodmethaanmolecuul zichzelf vrijwel onmiddellijk uiteenviel en slechts een biljoenste van een seconde leefde na het begin van het laservuur. Iets soortgelijks kan, zoals wetenschappers denken, gebeuren wanneer levende organismen in contact komen met röntgenstralen, en als we dit proces bestuderen, kunnen we begrijpen hoe we de schade door straling kunnen verminderen of neutraliseren.
“Joodmethaan is een relatief eenvoudig molecuul dat ons helpt te begrijpen wat er met organische moleculen gebeurt als ze worden beschadigd door straling. We denken dat deze reactie nog heftiger verloopt in joodethaan en andere complexe moleculen, waar jodium tot 60 elektronen kan uitstoten, maar we weten nog niet hoe het beschreven kan worden. Het oplossen van dit probleem is ons volgende doel”, besluit Artem Rudenko van de University of Kansas (VS), de eerste auteur van het artikel.
