Недавно разработанная теория предсказала, что в рентгеновских спектрах космических объектов могут присутствовать новые линии, соответствующие ранее неизвестным радиационным переходам.
Рентгеновские лучи из космоса, возможно, долгие годы «врали» ученым

В глубоких недрах звезд и планет вещество находится в экзотическом состоянии — при экстремально высоких температурах и давлениях. В таких состояниях материя принципиально отличается от той, что мы видим каждый день, выходя на прогулку или, что в тренде сейчас, сидя дома. Что будет с атомами в экстремальных условиях? Как близко друг к другу их можно «прижать», и что при этом произойдет с электронами, которые вращаются вокруг ядер в атомах?

На эти и многие другие вопросы отвечает раздел физики, называемый «физика высоких плотностей энергии». Узкие специалисты из этой области бесконечно долго могут рассказывать о том, что происходит с веществом внутри планет и звезд, как протекает термоядерный синтез, и на каких формулах основываются разработки засекреченных институтов оборонного комплекса.

Одним из таких специалистов является Суксинг Ху — выдающийся физик-теоретик, руководитель группы по изучению физики высоких плотностей энергии в Рочестерском университете. Вместе с коллегами из Франции профессор Ху выдвинул две фундаментальные идеи, которые могут кардинально изменить работу астрономов всего мира. Исследование, включающее теоретические выкладки и численные расчеты, опубликовано в журнале Nature Communications.

Первая идея Ху о том, что при высоких давлениях могут происходить межатомные радиационные переходы. Радиационный переход — это прыжок электрона на орбиту соседнего электрона в пределах одного атома. Если сравнить атом с Панемом — вымышленным государством из трилогии «Голодные игры», то ядро будет Капитолием — столицей Панема. По мере удаления от Капитолия располагаются «дистрикты» или города Панема. Чем ближе дистрикт к столице, тем богаче и ленивее люди в нем. Самые бедные жители населяют Дистрикт 12: они вынуждены воровать хлеб и охотиться на диких зверей, чтобы прокормиться — а на это нужна энергия. Переехать из дистрикта в дистрикт при этом практически невозможно.

Чем ближе электроны расположены к ядру в атоме, тем сильнее их связь со «столицей» и меньше собственная энергия. Внешние электроны из-за большого расстояния от ядра связаны с ним не так сильно — типичная периферия, а потому их энергия выше. Разница между атомом и Панемом в том, что электронные переходы с уровня на уровень, в отличие от перемещения между дистриктами, возможны. Но для того, чтобы быть ближе к ядру, электрон должен «заплатить» — отдать свою энергию.

«Валютой» внутри атома является рентгеновское излучение. Чтобы переместиться на другую орбиту, электрон испускает или поглощает «порцию» или квант излучения — фотон. Эти фотоны называют характеристическими, так как уровни энергии в атоме каждого вещества фиксированы. По энергии фотона характеристического излучения можно сказать, из какого атома он вылетел, и определить элементный состав какого-либо космического объекта. Фотоны с одинаковой энергией группируются в линии спектра излучения.

Новая теория Ху вносит некоторую сложность в спектральный метод идентификации веществ из космических глубин. При сближении атомов из-за высокого давления электронные оболочки перекрываются. Электроны становятся «общими»: где чей — не разберешь. По мнению Ху, в этих условиях возможны радиационные переходы между электронными орбитами не одного, а разных атомов. Примерно то же произошло бы с жителем Панема из Дистрикта 4, если бы он «переехал» в Дистрикт номер 1 соседнего идентичного государства. Энергия испускаемого или поглощаемого фотона при этом отличается от той, что была бы при переходе внутри родного атома.

Вторая идея ученого вытекает из первой и касается формы орбит электронных оболочек. Некоторые электроны летают по круговой орбите, другие — по орбите в форме гантели. Существуют также гибридные орбитали. Внутри атома возможны переходы только на ту орбиту, чья форма отличается от той, с которой электрон прыгает. Когда давление смешивает атомы в непонятную кучу, переходы между одинаковыми орбитами, по теории Ху, становятся возможными.

В результате новых разрешенных прыжков электронов между атомами, в спектре рентгеновского излучения, прилетевшего от астрономических объектов, должны появиться новые линии, соответствующие ранее неизвестным радиационным переходам. Эти линии нужно правильно интерпретировать.

Ху и его коллеги намерены проверить свою теорию в эксперименте. С помощью крупной лазерной установки ученые переведут вещество в экзотическое состояние. Земные условия позволят пробыть в этом состоянии лишь несколько наносекунд, но для науки это вполне рабочие времена. Если теория Ху пройдет испытание экспериментом, возможно, в учебниках физики появятся новые захватывающие главы, а в работе астрофизиков — сложные, но, несомненно, интересные задачи.