Kaip mokslininkai sukūrė juodosios bedugnės analogą Žemėje

Laisvųjų elektronų rentgeno lazeriai (LERL) — lazeriai, kuriantys rentgeno spinduliavimą. Jais gali būti tiriamos biologinių molekulių struktūros. LERL darbinis kūnas – elektronų pluoštas, judantis sinusine trajektorija per unduliatorių (arba viglerį) — įrenginį iš eilės magnetų. Taip elektronai siauru kūgiu spinduliuoja rentgeno fotonus.

Rentgeno spinduliai yra gan trumpos (10–0,01 nm, kai regimoji šviesa – 380-750 nm) elektromagnetinio spinduliavimo bangos, tad jomis galima tyrinėti labai mažus objektus – kuo bangos ilgis mažesnis, tuo smulkesnius objektus ir jų detales galima aptikti. Tačiau yra problema: kuo bangos ilgis mažesnis, tuo didesnė jų energija. Todėl, užuot nušvietę biologinių molekulių struktūrą, rentgeno spinduliai ją sudegina. Šį sunkumą padeda įveikti femtosekundiniai lazeriai, generuojantys itin trumpus, femtosekundinius impulsus.

Šio tipo LERL kuriami rentgeno spinduliavimo impulsai trunka maždaug 5-50 fs. Tokių trumpų, bet itin galingų (iki 10²⁰ W/cm²) impulsų veikiamas, bandinys nespėja suirti, kol mokslininkai gauna jo atvaizdą. Tačiau ir čia yra savi apribojimai. Tokie intensyvūs impulsai tinka sudėtingų medžiagų ir biologinių sistemų tyrimui, bet ne fundamentaliems molekulių tyrimams, kur naudojamas silpnesnis rentgeno spinduliavimas.

Mat intensyviais rentgeno spinduliais švitinami atomai aukštą jonizacijos lygį pasiekia, sugerdami daug fotonų. Molekulėse, sudarytose iš skirtingų atomų, tai vyksta su sunkiausiais atomais (kurių eilės numeris didžiausias), jeigu jo fotono sugėrimo tikimybė gerokai didesnė už kaimyninių branduolių. Po to gautas krūvis pasklinda po visą molekulę. Tokia jonizacija gali sukelti lokalius bandinio pažeidimus ir iškraipyti vaizdą.

Mokslininkai išmoko numatyti iškraipymus, kai naudojami „minkšti“, nelabai intensyvūs rentgeno impulsai. Tam tikslui buvo sukurti tokiomis pat sąlygomis jonizuojamo, izoliuoto, vieno atomo modeliai. Tačiau nebuvo aišku, ar tuos pačius procesus galima sumodeliuoti poliatominėse molekulėse, naudojant kietesnį ir intensyvesnį spinduliavimą.

Aiškindamasi šį klausimą, tarptautinė mokslininkų grupė panaudojo JAV Nacionalinės greitintuvų laboratorijos SLAC laisvųjų elektronų lazerį LCLS (Linac Coherent Light Source). Izoliuoti ksenono atomai, dujinio metano jodido (CH₃I) ir benzolo jodido (C₆H₅I) molekulės, buvo paveiktos 8,3 keV fotonų energijos ir 10¹⁹ W/cm² intensyvumo rentgeno spinduliavimu. Kiekvienas impulsas truko <30 fs. Buvo matuojama susidarančių jonų išeiga ir kinetinė energija.

Paaiškėjo, kad ksenono atomų ir jodo jonų iš CH₃I maksimalus jonizacijos lygis buvo panašus (atitinkamai 48+ ir 47+). To nebuvo, eksperimentuojant su minkštu rentgeno spinduliavimu ir 5,5 keV fotonais, kur atskirų atomų jonizacija buvo didesnė, nei atomų su panašiu eilės numeriu molekulėje. Didžiausias visos metano jodido molekulės jonizacijos lygis siekė 54+ (tai reiškia, kad rentgeno fotonas išmušė iš molekulės 54 elektronus), ir viršijo maksimalų teigiamą ksenono krūvį.

Tokį rezultatą fizikai aiškina, pasitelkdami teorinį modelį. CH₃I vandenilio ir anglies atomai fotonus sugeria nežymiai, nes efektyvus jų skerspjūvis mažas. Šis rodiklis apibūdina atomo sąveikos su dalele tikimybę, ir priklauso nuo atomo dydžio. Paprasčiau tariant, kuo didesnis atomas, tuo didesnė tikimybė, kad fotonas ją paveiks.

Didesnio jodo atomo ir efektyvusis skerspjūvis didesnis. Beveik visi molekulės sugerti fotonai jonizuoja jodą — jis netenka 47 elektronų (anglis irgi jonizuojama, tačiau netenka tik keturių elektronų). Pasireiškia Ožė efektas, kai atomas tampa nestabilus ir atsiradusias tuščias vietas (vakansijas) turi užpildyti elektronais, esančiais kitose (aukštesnėse) orbitalėse. Dėl to išsiskiria energija, kuri gali būti perduodama kitiems elektronams ir priversti juos palikti atomą. Taip procesas tampa kaskadiniu ir jodo atome susidaro stiprus teigiamas krūvis.

Būtent taip jodas tampa, pasak mokslininkų, savotišku molekuliniu juodosios bedugnės atitikmeniu, traukiančiu link savęs kaimyninių atomų elektronus. O elektromagnetinės sąveikos kuriama traukos jėga didesnė nei ta, kuria elektronus galėtų paveikti astronominė, dešimties Saulės masių, juodoji bedugnės. Jodas stengiasi užpildyti ištuštėjusias savo orbitales, tačiau galiausiai netenka didžiosios dalies neigiamo krūvio. O vandenilio atomai netenka vienintelių elektronų. Visa tai įvyksta per kelias femtosekundes, ir dėl to šis jonizacijos tipas yra vienas iš sparčiausių.

Mokslininkų pasiūlytu mechanizmu, kurį jie pavadino CREXIM (angl. charge-rearrangement-enhanced X-ray ionization of molecules), galima numatyti eksperimentinius duomenis. Tai svarbu, nes „juodųjų bedugnių“ sukuriamas teigiamas laukas suplėšo molekulę į skutelius, ir iškreipia gaunamą vaizdą. Metano jodidas šiame darbe yra kaip modelis, pagal kurį galima numatyti kitų, sudėtingesnių, molekulių elgesį.

A. Jenikejev

lenta.rulenta.ru