Kinh ngạc lỗ đen phân tử được tạo ra từ tia X có năng lượng mạnh nhất thế giới

Hãy tưởng tượng bạn thu hết toàn bộ ánh sáng Mặt Trời chiếu xuống hành tinh của chúng ta ở bất kỳ thời điểm nào và tập trung toàn bộ chúng vào một phần Trái Đất có kích thước của một tấm hình thu nhỏ. Sau đó, bạn tiếp tục tăng cường độ của khối ánh sáng này lên 100 lần, và bây giờ bạn có thể hiểu được sức mạnh của tia X đầy ắp năng lượng và mạnh nhất thế giới.

Trong một thí nghiệm bất ngờ, các nhà khoa học đã tập trung toàn bộ cường độ của tia laser này vào một phân tử, và nó làm nảy sinh một hiện tượng chưa từng thấy từ trước đến nay: Quá trình tạo ra một "lỗ đen" phân tử - có thể hủy diệt bất cứ thứ gì trên đường đi của nó.

"Chúng tôi chắc chắn không hề mong đợi thấy điều này trong các phép đo trước", Sebastien Boutet – một trong những thành viên nhóm nghiên cứu, thuộc Phòng thí nghiệm Gia tốc Quốc gia SLAC của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, cho biết.

Việc hướng các chùm tia laze vào các phân tử không phải là điều gì mới - trong các thí nghiệm trước đây, các nhà vật lý đã sử dụng laser cường độ thấp để phóng các phân tử iodomethane nhỏ và dẹp bỏ các electron bao quanh nguyên tử iốt đơn.

Một lỗ đen phân tử vừa được tạo ra (Ảnh: DESY).

Nhưng khi Boutet và nhóm nghiên cứu của ông tập trung một xung laser tia X cực mạnh - từ nguồn sáng kết hợp Linac của SLAC vào các phân tử tương tự, nó đã tạo ra một khoảng trống lớn. Sau đó, nó bắt đầu thu hút các điện tử từ phần còn lại của phân tử như một lỗ đen siêu nhỏ.

Một trong những nhà nghiên cứu - Daniel Rolles từ Trường đại học Bang Kansas, nói phát biểu trên Newsweek: "Nó tạo ra rất nhiều điện tích bên trong nguyên tử và hút mọi thứ xung quanh. Dường như nó không nghĩ đến chuyện dừng lại".

Toàn bộ hoạt động này đã kết thúc trong chưa đầy 30 femto giây - phần triệu của một phần tỉ giây. Phân tử của các nhà nghiên cứu đã bị tước đi hơn 50 electron – con số này nhiều hơn dự kiến, dựa trên những tia có cường độ thấp đã được thí nghiệm trước đó.

Nhóm nghiên cứu lần đầu tiên đã thử nghiệm trên các nguyên tử xenon đơn lẻ. Họ sử dụng các gương đặc biệt để tập trung tia X tới một vùng có đường kính chỉ hơn 100 nanomet - nhỏ hơn 1.000 lần chiều rộng của một sợi tóc người.

Vụ nổ tia X đã cướp đi các nguyên tử xenon của electron của chúng, và tạo ra một thứ được gọi là “nguyên tử rỗng”. Nhưng trạng thái này không kéo dài - các electron từ các phần bên ngoài của nguyên tử bắt đầu rơi xuống tầng dưới để lấp đầy khoảng trống, nó chỉ bị đẩy ra bởi một chùm laser khác. Tất cả những gì còn lại trong các nguyên tử này là electron được liên kết một cách chặt chẽ nhất.

Kết quả này gần giống với những thứ các nhà nghiên cứu đã quan sát trong các thí nghiệm trước đây khi họ sử dụng các tia laze có năng lượng thấp. Nhưng mọi thứ trở nên kỳ lạ khi các nhà nghiên cứu thấy những thứ đã xảy ra với các nguyên tử iốt bên trong các phân tử iodomethane lớn hơn.

Nguyên tử iốt khi bị tước các electron, bắt đầu tách các điện tử từ các nguyên tử cacbon và hydrogen lân cận. Sau đó, nguyên tử iốt kéo chúng vào bên trong, giống như một lỗ đen nuốt các vật thể mà quá gần chân trời sự kiện (event horizon).

Mỗi lần nguyên tử kéo các electron bị đánh cắp, chùm tia laze sẽ làm nổ tung chúng, và nguyên tử này kết thúc bằng việc mất 54 electron. Nhóm nghiên cứu lặp lại quá trình sử dụng phân tử iodobenzene - thậm chí còn lớn hơn và một hiện tượng tương tự xảy ra.

"Đây không phải là điều mà các nhà vật lí đã từng chứng kiến trước đây. Nói chung, tia X đã làm mất đi 54 trong số 62 điện tử của phân tử, làm cho nó có điện tích gấp 54 lần trong trạng thái không bị kích thích. Đây là mức điện tích lớn nhất, hay mức độ ion hóa - từng đạt được bằng cách sử dụng ánh sáng”, các nhà nghiên cứu cho biết.

Nhóm nghiên cứu nói rằng cần phải có thêm nhiều thí nghiệm để tìm hiểu chính xác điều gì đang xảy ra. Bởi vì họ nghi ngờ rằng phân tử iodobenzene lớn hơn có thể bị hút vào và làm mất nhiều nhiều điện từ hơn 54 lần phân tử iodomethane gây ra.

Artem Rudenko - một trong những nhà nghiên cứu thuộc Trường đại học bang Kansas, cho biết: "Chúng tôi nghĩ rằng hiệu quả thậm chí còn tốt hơn khi sử dụng các phân tử lớn, thay vì những phân tử nhỏ hơn, nhưng chúng tôi vẫn chưa biết làm thế nào để định lượng được”.

"Chúng tôi ước tính có hơn 60 electron đã bị loại ra, nhưng không biết nó dừng lại ở đâu. Bởi vì chúng tôi không thể phát hiện tất cả các mảnh vỡ bay ra khi phân tử tan rã để xem có bao nhiêu electron bị mất. Đây là những câu hỏi mở mà chúng ta cần phải nghiên cứu tiếp tục".

Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Nature.

Bích Trâm (Sciencealert)