Forschung

Materie im Laser-Kochtopf

26.06.2020 - Warme, dichte Materie wie im Planeteninneren mit Röntgenstreuung untersucht.

Nicht fest, nicht flüssig, nicht gasförmig und auch kein Plasma: In Planeten und Sternen kann Materie einen besonderen Zwischen­zustand annehmen, Tausende von Grad heiß und tausendfach stärker komprimiert als unsere Erd­atmosphäre – Experten sprechen von warmer dichter Materie. Vieles daran ist noch unverstanden. Labor­experimente sollen das ändern, sind allerdings technisch anspruchsvoll, weil dieser exotische Zustand auf der Erde nicht natürlich vorkommt. Das macht sowohl die künstliche Herstellung als auch die Untersuchung von warmer dichter Materie zu einer Heraus­forderung für Experimentatoren und Theoretiker. „Letztendlich muss man Prozesse in warmer dichter Materie aber verstehen, wenn man Planeten modellieren möchte“, erläutert Dominik Kraus vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. „Basierend auf der Röntgen­streuung haben wir dafür jetzt einen sehr viel­versprechenden neuen Ansatz. Unsere Experimente liefern wichtige Modell­parameter, wo es bisher noch große Unsicher­heiten gab. Das wird auch immer relevanter, je mehr Exoplaneten entdeckt werden.“
 

Am Nationalen Beschleuniger­labor SLAC der amerikanischen Universität Stanford untersuchten die Forscher mit Hilfe von intensivem Laser­licht die Struktur von Materie in für Planeten typischen Mischungen – im Fall der Eisriesen: Kohlen­wasser­stoff. Als Ersatz für den planetaren Kohlen­wasser­stoff dient eine handelsübliche Plastikfolie. Ein optischer Hoch­energie­laser verwandelt das Plastik in warme dichte Materie: Kurze, starke Laserpulse erzeugen Schockwellen in der Folie und verdichten den Kunststoff bis ins Extrem. „Wir erzeugen etwa 1,5 Millionen Bar, das entspricht dem Druck des Gewichts von rund 250 afrikanischen Elefanten auf die Fläche eines Daumen­nagels“, verdeutlicht Kraus die Dimensionen. Praktisch: Die Laser­schock­wellen heizen das Material gleichzeitig auf etwa 5000 Grad auf. Zur Auswertung ist ein sehr leistungs­fähiger Röntgen­laser auf die Probe gerichtet. Je nachdem, wie sein Licht beim Durchgang durch die Probe gestreut wird, lassen sich Rück­schlüsse auf die Struktur des Materials ziehen.

Die Forscher beobachteten: Aus dem einstmaligen Plastik im Zustand warmer dichter Materie entstehen Diamanten. Der hohe Druck kann den Kohlenwasserstoff in Kohlenstoff und Wasserstoff aufspalten. Die freiwerdenden Kohlenstoff-Atome schließen sich zu Diamant­strukturen zusammen. Für Planeten wie Neptun und Uranus bedeutet das: In ihrem Inneren kann die Entstehung von Diamanten eine zusätzliche Energiequelle in Gang setzen. Die Diamanten sind schwerer als die sie umgebende Materie und sinken langsam in den Planeten nach unten, wie eine Art Diamantregen. Dabei reiben sie an ihrer Umgebung und setzen Wärme frei – ein wichtiger Faktor für Planeten­modelle.

In einem früheren Experiment hat das Team um Kraus die mögliche Entstehung von Diamanten in Planeten erstmals mit Hilfe von Röntgen­beugung experimentell nachgewiesen. Das Beugungs­muster des Röntgen­lichts kann aber nur kristalline Strukturen aufzeigen. Diesmal analysierten die Forscher mit zusätzlichen Detektoren außerdem, wie das Licht an den Elektronen im Material gestreut wird und verglichen unterschiedliche Streukomponenten untereinander sowie mit theoretischen Simulationen. Dieses Verfahren erlaubt präzise Einblicke in die gesamte Material­struktur. „Für die Eisriesen wissen wir jetzt, dass der Kohlenstoff beim Entmischen fast ausschließlich in Diamanten übergeht und nicht noch eine flüssige Zwischenform vorhanden ist“, führt Kraus aus.

Das Verfahren ist nicht nur empfindlicher, sondern auch breiter einsetzbar als die Röntgen­beugung, da es weniger technische Ansprüche an die Analyse-Lichtquelle stellt. Als nächstes plant das inter­nationale Wissenschaftler­team, die Messungen auch auf Helium-Wasserstoff-Mischungen, ähnlich wie sie in Gasplaneten vorkommen, und auf komprimierten reinen Wasserstoff wie im Inneren von kleinen Sternen auszuweiten. Diese Experimente, für die unter anderem die Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) am European XFEL eingesetzt werden soll, könnten dabei helfen, die vielen heute bekannten Planeten außerhalb unseres Sonnen­systems besser zu verstehen und zu prüfen, ob auf einem davon sogar Leben möglich sein könnte.

Praktisch könnten Fusions­experimente von der neuen Messmethode profitieren. Auch die Fusions­forschung versucht, Prozesse, die bei Hochdruck in Sternen stattfinden, auf der Erde nachzubauen. Bei der Trägheits­fusion wird Brennstoff aus Deuterium und Tritium extrem aufgeheizt und verdichtet, ein Zwischenzustand ist die warme dichte Materie. Mithilfe der Röntgen­streuung ließe sich dieser Prozess genau überwachen.

HZDR / DE
 

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