تشکیل سیاه چاله‌ مولکولی با قوی‌ترین لیزر اشعه ایکس جهان

گروهی از پژوهشگران با تاباندن پرتوهای ایکس بسیار شدید به مولکول‌ها، باعث ایجاد تغییر در ساختار آنها و تبدیشان به سیاه‌چاله‌های مولکولی شده‌اند.

تصور کنید که شما توانسته‌اید تمامی نور خورشید تابیده‌شده به سیاره‌ی زمین در هر لحظه را به دام انداخته آن را روی یک تکه از کره‌ی زمین به اندازه‌ی یک بند انگشت متمرکز ساخته باشید. حالا چنین میزانی از شدت را ۱۰۰ برابر کنید تا بتوانید در حدودی میزان شدت قوی‌ترین لیزر پرتوی ایکس جهان را تصور کنید.

دانشمندان در یک نتیجه‌ی غافلگیرکننده، تمامی شدت تابش این لیزر را روی یک مولکول منفرد متمرکز کرده‌اند و در اثر یک پیامد نادانسته از این کار، باعث روی دادن پدیده‌ای شده‌اند که پیش از این هیچ کس آن را مشاهده نکرده بود؛ پدیده‌ای که با نام سیاه‌چاله‌ی مولکولی از آن یاد می‌شود و می‌تواند هر چیزی واقع در سر راه خود را ببلعد.

سباستین بوتت، یکی از اعضای گروه پژوهشی از گروه انرژی آزمایشگاه شتاب‌دهنده‌ی ملی SLAC در گفتگو با پایگاه Mashable در این باره گفته است:

ما از اندازه‌گیری‌های قبلی خود انتظار چنین پدیده‌ای را نداشتیم.

استفاده از پرتوهای لیزر برای تحت تاثیر قرار دادن مولکول‌های بی‌خبر از همه‌جا اتفاق تازه‌ای نیست. در آزمایش‌‌های قبلی، فیزیکدانان از لیزرهایی با شدت‌های پایین‌تر برای اعمال جریان‌های شدید و ناگهانی روی مولکو‌ل‌های کوچک یدومتان استفاده کرده و توانسته بودند تا الکترون‌های احاطه‌کننده‌ی اتم منفرد ید را از آن جدا کنند.

اما هنگامی که بوتت و گروه او روی لیزرهای پرتوی ایکس بسیار شدید به‌دست آمده از پالس‌های منبع نوری لیناک در SLAC و تاثیر آن بر مولکول‌های مشابه تمرکز کردند، روند آنها باعث پیدایش یک حفره‌ی سیری‌ناپذیر شد؛ حفره‌ای که شروع به کشیدن الکترون‌های باقی مولکو‌ل‌ کرده و به منزله‌ی یک سیاه‌چاله‌ی میکروسکوپی عمل می‌کرد؛ البته پیش از اینکه به‌طور کامل منفجر شود. دانیل رولس، یکی دیگر از اعضای تیم پژوهشی و از دانشگاه ایالتی کانزاس در گفتگو با نیوزویک گفته است:

این فرایند باعث تولید بار زیادی در داخل اتم شد و می‌تواند هر چیزی در اطراف خود را به سوی خود مکش کند. به نظر هم نمی‌رسد که قصد متوقف شده داشته باشد.

البته تمامی این فرایند در کمتر از ۳۰ فمتوثانیه به اتمام می‌رسید. گفتنی است که هر فمتوثانیه برابر با یک میلیونم از یک میلیاردم ثانیه است. مولکول مورد تحقیق پژوهشگران بیش از ۵۰ الکترون خود را از دست داد که این شمار از آن چیزی که انتظار می‌رفت بیشتر بود؛ البته این انتظار بر مبنای مشاهدات آنها از روندی بود که در تابش‌های پرتوهایی با شدت کمتر رخ داده بود.

سیاه چاله مولکولی

تیم پژوهشی در وهله‌ی نخست، آزمایش‌هایشان را با اتم‌های منفرد زنون انجام دادند و برای این کار از آینه‌هایی ویژه‌ای برای متمرکز ساختن پرتوهای ایکس به ناحیه‌ای به قطر تنها اندکی بیش از ۱۰۰ نانومتر استفاده کردند که تقریبا هزار برابر از پهنای یک تار موی انسان کوچک‌تر است.

جریان شدید و ناگهانی از پرتوی ایکس باعث تهی شدن اتم‌های زنون از الکترون‌هایشان می‌شد و این امر موجب ایجاد پدیده‌ای شد که از آن با تعبیر اتم خالی یاد می‌کنند. اما چنین حالتی خیلی دوام نمی‌آورد، الکترون‌های بخش‌های بیرونی اتم شروع به روانه شدن به بخش‌های پایین‌تر برای پر کردن حفره‌ی ایجادشده می‌کنند تا توسط پرتوی دیگری از لیزر مجددا بیرون آورده شوند. تنها چیزی که در پایان در این اتم‌های باقی می‌ماند، الکترون‌هایی با پیوند‌های بسیار محکم بودند.

این رفتار از اتم‌ها یادآور آن مشاهده‌ای بود که پژوهشگران در آزمایش‌های قبلی خودشان و با استفاده از پرتوهای لیزر با انرژی پایین با آن روبرو شده بودند. اما اوضاع وقتی عجیب‌تر شد که آنها به ماهیت اتفاقی پی بردند که برای اتم‌های ید واقع در مولکول‌های بزرگ‌تر یدومتان روی داده بود.

اتم ید الکترون‌هایش را از دست داده و شروع به از هم پاشاندن الکترون‌های اتم‌های کربن و هیدروژن مجاور کرده و آنها را همانند یک سیاه‌چاله‌ی فضایی به سمت خود کشیده بود؛ درست همانند سیاه‌چاله‌هایی که ماده را با نزدیک شدن بیش از حد به افق رویدادشان، به سوی خود مکش می‌کنند.

هر زمانی که اتم بتواند الکترون‌های از دست رفته را به سوی خود بکشد، پرتوهای لیزر مجددا آنها را تحت جریان‌های شدید و ناگهانی قرار می‌دهند و به این ترتیب اتم در پایان ۵۴ الکترون خود را از دست داده بود؛ این رقم در واقع از شمار ۵۳ الکترونی که اتم در آغاز کار و پیش از نابودی در خود داشت، بیشتر بود.

SLAC

تیم پژوهشی این فرایند را حتی با مولکو‌ل‌های بزرگ‌تر یدوبنزن هم انجام دادند و در آن حالت هم رویداد مشابهی اتفاق افتاد. به گزارش مِین برای نیوزویک:

این چیزی نیست که پیش از این در فیزیک مشاهده شده باشد. در کل، پرتوی ایکس منجر به بیرون راندن ۵۴ الکترون از ۶۲ الکترون کلی مولکول شد و باری الکتریکی به میزان ۵۴ برابر بیشتر از مقدار آن در حالت تحریک‌نشده را به آن مولکول داد. به استناد پژوهشگران، این بیشترین سطح از مقدار بادار شدن یا یونیزه‌ شدنی است که تا به حال با استفاده از تابش نور به دست آمده است.

گروه پژوهشی بر این باورند که آزمایش‌های بیشتری برای پی بردن به اینکه دقیقا چه اتفاقی رخ داده نیاز است؛ زیرا آنها مشکوک هستند که شاید مولکول‌ یدوبنزن بزرگ‌تر، در طی مکش حتی بیشتر از ۵۴ الکترون از دست رفته در مولکول یدومتان را از دست داده باشد. آرتم رودنکو، یکی دیگر از اعضای گروه پژوهشی از دانشگاه ایالتی کانزاس در یک گفتگوی مطبوعاتی گفت:

ما بر این باوریم که تاثیر ایجاد شده حتی در مولکول بزرگ‌تر دارای اهمیت بیشتری در قیاس با مولکول کوچک‌تر بوده است؛ اما هنوز نمی‌دانیم که این امر را به چه شکلی کمیت‌گذاری کنیم.

ما برآورد می‌کنیم که بیش از ۶۰ الکترون در آن فرایند به بیرون پرتاب شده باشند، اما واقعا نمی‌دانیم که روند آن در کجا متوقف شده است؛ دلیل آن هم این است که نمی‌توانیم به‌منظور دیدن اینکه چه‌شماری از الکترون‌های از دست رفته‌اند، تمامی تکه‌هایی را آشکار کنیم که با در هم شکستن مولکول به جهات مختلف پرتاب شده‌اند. این مقوله در واقع یکی از سوال‌هایی است که هنوز بی‌پاسخ مانده است.

در پایان باید اشاره کنیم که دستاوردهای پژوهش اخیر در مجله‌ی Nature منتشر شده است.

منبع sciencealert

از سراسر وب

  دیدگاه
کاراکتر باقی مانده

بیشتر بخوانید