Onderzoekers zouden met ’s werelds sterkste röntgenlaser ‘een moleculair zwart gat’ hebben gecreëerd.
Zwarte gaten staan bekend als gevaarlijke materie-slurpende monsters. Maar ook op heel kleine schaal kan er iets ontstaan dat wel wat weg heeft van een zwart gat. Wanneer je namelijk een ultra-intense röntgenlaserbundel op een klein molecuul met een zwaar atoom richt, zal het atoom niet alleen grotendeels worden gestript van zijn eigen elektronen, maar ook van een aantal elektronen van zijn buuratomen.
Het zware atoom heeft deze extra elektronen tijdens het proces opgeslurpt, als een soort moleculair zwart gat. Dat ontdekten wetenschappers van het SLAC National Accelator Laboratory.
Ultra-intense röntgenstralen
Het onderzoeksteam gebruikte voor hun experiment het imaging-instrument van SLAC’s Linac Coherent Light Source (LCLS). Hiermee kunnen de bewegingen van ladingen in complexe moleculen perfect worden ‘gezien’ en dat is handig bij het mogelijk maken van geavanceerde technologische toepassingen.
Maar voordat je die ultra-intense röntgenstralen loslaat op je sample, wil je graag weten hoe hij erop reageert. Wordt het niet vernietigd voor je kans hebt je monster goed in beeld te krijgen?
Deze en andere vragen hoopten de onderzoekers te beantwoorden door zowel een klein als een iets groter molecuul te nemen dat het zware atoom jodium bevat. Atomen van deze grootte zijn nodig in biochemische reacties en worden vaak door onderzoekers toegevoegd aan een biologisch monster om een scherper contrast te krijgen.
Elektronen weggeschoten
De onderzoekers van de huidige studie focusten de röntgenlaserbundel op de moleculen door middel van speciale spiegels. De laserstraal was honderdmaal intenser dan al het zonlicht dat op aarde valt gericht op één vierkante centimeter.
Door de intensiteit van de röntgenstraling werden de binnenste elektronen van het zware atoom gestript. Dat gaf een ‘gat’ dat al snel werd opgevuld door de buitenste elektronen die naar binnen vielen om vervolgens zelf ook te worden weggeschoten. Slechts enkele sterk gebonden elektronen overleefden dit proces. Tot zover niets nieuws onder de zon.
Maar het proces stopte daar niet. Het jodiumatoom – dat sterk positief geladen was door het verlies van zoveel negatief geladen elektronen – slokte gulzig de elektronen van zijn buuratomen, koolstof en waterstof, op. Ook die elektronen vlogen een voor een weg.
Vaker gezien
In plaats van de 47 elektronen die een geïsoleerd jodiumatoom zou verliezen, verloor het atoom er in totaal 54. In het grotere molecuul waren dit er waarschijnlijk meer dan 60. Hoeveel precies, konden de wetenschappers niet zeggen, want het molecuul werd vernietigd voor het goed kon worden gemeten.
Volgens experimenteel natuurkundige en röntgenstralingsexpert Frank de Groot (Universiteit Utrecht) is het experiment niet echt opzienbarend. “Dat er veel elektronen worden uitgeschoten door de röntgenbundel is niet heel vreemd en al vaker gezien. Ik zou het eigenlijk vreemder hebben gevonden als het aantal uitgeschoten elektronen níet zou toenemen al je van een geïsoleerd atoom naar een molecuul gaat.”
Neem de garage mee
Ook klopt volgens De Groot de vergelijking met een zwart gat niet helemaal. “De elektronen worden niet naar het jodiumatoom toegetrokken. Ze zaten daar al. Een passender vergelijking zou zijn: als je met een tank op een huis schiet, neem je mogelijk ook de garage mee. Ik zie dit experiment als een eerste aanzet tot interessantere toekomstige ontdekkingen.”
Dat denken ook de onderzoekers in kwestie. Zij richten hun hoop nu op een in de toekomst geplande upgrade van de LCLS – van 120 laserpulsen per seconde tot maar liefst 1 miljoen per seconde. En wie weet kunnen we dan wel spreken van een écht moleculair zwart gat.
Bronnen: Nature, DOE/SLAC National Accelator Laboratory, Deutsches Elektronen-synchroton DESY
Beeld: DESY/Science Communication Lab
Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Bestel dan hier ons nieuwste nummer (geen verzendkosten). Abonnee worden? Dat kan hier!