Описан новый тип химических связей в молекулах вблизи нейтронных звезд

Связи между атомами в молекулах электрические по своей природе: у атомов имеются «общие» электроны, а сами атомы при этом находятся в ионизированном состоянии, благодаря которому и возникает соединяющая эти частицы сила. Однако, теперь исследователи полагают, что с физической точки зрения атомы могут быть объединены в стабильные молекулы разных типов с помощью нового вида связей, названных «магнетическими» (magnetic). Хотя такие молекулы пока невозможно получить в лабораториях, применяя даже самые сильные магниты, они могут формироваться под воздействием экстремальных магнитных полей поблизости от «белых карликов» и нейтронных звезд, а их уникальные спектральные сигнатуры позволят нам обнаруживать эти молекулы при помощи современного оборудования.

В новом выпуске Science опубликована статья, в которой рассказывается о том, что коллектив ученых, состоящий из К. Ланге (Kai K. Lange), Е. Теллгрена (E. I. Tellgren), М. Хоффмана (M. R. Hoffmann) и Т. Хелгакера (T. Helgaker) (Центр Теоретической и Вычислительной Химии Химического Факультета Университета в Осло/Centre for Theoretical and Computational Chemistry, Department of Chemistry, University of Oslo), провел детальный квантово-механический анализ параметров двух электронов, помещенных в очень сильное магнитное поле. Предыдущие исследования показали, что относительно слабая связь между атомами формируется, если молекула расположена параллельно магнитному полю, Ланге же и его коллеги установили, что возникает дополнительная и гораздо более сильная связь, если молекулу развернуть перпендикулярно магнитному полю. Основываясь на расчетах ученых, подкрепленных теоретическими и практическими данными, можно определить свойства молекул, образующихся в магнитном поле. Примечательно, что предложенная исследователями модель описывает магнитную молекулу, составленную из атомов гелия, который в силу своей инертности не способен формировать стабильные электрические связи.

Нейтронные звезды образуют сверхмощные магнитные поля, в зоне действия которых могут существовать неизученные типы молекул

Почему магнитные поля в космосе могут быть настолько сильными? Белые карлики представляют собой плотные ядра звезд, подобных Солнцу, которые, после того как у них заканчивается ядерное топливо, теряют свои внешние слои. Нейтронные звезды – это еще более плотные «останки» звезд, по меньшей мере, в восемь раз массивнее Солнца; они образуются при коллапсе звездного ядра во время взрыва сверхновой. В обоих случаях, небольшой по своему объему объект из оставшегося звездного вещества очень высокой плотности создает чрезвычайно сильное магнитное поле у поверхности.

Самые мощные лабораторные магниты могут продуцировать магнитные поля силой до 40 Тесла. Поля, окружающие белые карлики, в тысячу раз сильнее, а поля нейтронных звезд еще сильнее. (Для сравнения: аппаратура для магнитно-резонансной томографии работает с магнитным полем в 7 Тесла, а магнитное поле Земли варьируется от 25 до 65 микроТесла.) Другими словами, магнитное окружение вблизи звездных останков весьма значительно отличается от полей, которые мы сейчас можем создавать на Земле, потому особенно интересны явления, протекающие в столь необычных космических условиях.

Авторы исследования использовали традиционный для молекулярной физики и химии метод, известный как расчет полного конфигурационного взаимодействия (full configuration-interaction, FCI). При таком подходе атомы моделируются очень точно, с минимум допущений, что дает возможность определить все возможные конфигурации внутримолекулярных связей. Ученые сфокусировали свое внимание на водороде, главными преимуществами которого считаются его простая структура (один электрон на атом) и распространенность. При низких температурах и пренебрежительно слабых электромагнитных полях, водород формирует двухатомную молекулу H2 за счет ковалентной связи, подразумевающей распределение двух электронов между обоими атомами. Однако окружающее былые карлики и нейтронные звезды пространство столь разогрето, что связь этого типа не может существовать, и как следствие, молекулы распадаются.

Sirius B (слева) - один из ближайших к нам "белых карликов"

Судя же по результатам анализа, мощные магнитные поля способны внести коррективы в эту ситуацию. В соответствии с расчетами по мере увеличения силы магнитного поля, электронные орбитали (основа атомарных электронных облаков) искажаются, придавая атомам магнитные свойства. Этот эффект, называющийся парамагнетизмом, можно наблюдать в некоторых материалах: у них обнаруживаются магнитные характеристики при воздействии внешнего поля (тогда как  ферромагнетики – «постоянные магниты» - не требуют наличия внешнего поля). В случае с атомами водорода, помещенными в чрезвычайно мощное магнитное поле, в результате эффекта парамагнетизма появляются молекулы H2, атомы внутри которых удерживаются посредством магнитных связей.

Более ранние исследования указывали на существование магнитных связей при ориентации атомов, перпендикулярной магнитному полю, но характер связей для других направлений ориентации оставался неизученным. Новые расчеты говорят о том, что связи продолжают действовать вне зависимости от угла по отношению к полю, хотя перпендикулярная ориентация оказывается предпочтительней для более сильной магнитной связи. Также ранее представлялось, что связь устанавливается благодаря движению электронов, а не за счет парамагнетического эффекта. Расхождения в выводах, по-видимому, обусловлены использованием в предыдущих расчетах упрощений и менее точных математических схем.

Ученые также произвели вычисления по методу полного конфигурационного взаимодействия для гелия, который образует молекулы только в экстремальных условиях – и даже тогда эти молекулы очень нестабильны. Физики выяснили, что магнитные связи между атомами гелия возможны, а значит, в теории существует квазистабильное парамагнетическое вещество, состоящее из молекул He2. Впрочем, такие молекулы разрушаются, если внешнее магнитное поле пропадает.

Схема молекулы гелия He2, которую, возможно, удастя получить, используя новые импульсные магниты

Из-за фундаментальных различий с обычным водородом, спектр «магнитных» молекул H2 – комбинация параметров волн поглощаемого или испускаемого ими света – будет существенно отличаться от спектра молекул H2, построенных на ковалентных связях. Магнетический гелий также обладает уникальным спектром. Если магнетические молекулы присутствуют в атмосферах белых карликов и нейтронных звезд в сравнительно больших количествах, их можно выделить из числа других веществ.

Магнитные поля, получаемые в современных лабораториях, не достаточно сильны для образования в них магнетических молекул, тем не менее, оборудование нового поколения, создающее импульсные магнитные поля огромной мощности, сможет на очень короткие промежутки времени формировать условия для возникновения магнетических связей между атомами - а поскольку теперь известны спектральные характеристики магнетических молекул, ученым будет под силу их различить.