Mit Röntgenstrahlung zur heißen dichten Materie
Einer internationalen Forschergruppe ist es erstmals gelungen, mit intensiven Röntgenpulsen einen Festkörper vom festen Aggregatszustand direkt in den plasmaförmigen zu befördern.
Mit einem Äquatordurchmesser von mehr als 140.000 Kilometer ist der Jupiter der größte Planet unseres Sonnensystems. Nach Sonne, Mond und Venus ist er das vierthellste Objekt am Nachthimmel, so dass ihn bereits die Menschen der Antike beobachtet haben. Doch was sich im Inneren der Gasplaneten abspielt, ist bisher weitgehend unbekannt. Einen Schritt zu neuen Erkenntnissen über den Gasriesen lieferte jetzt ein wenige Mikrometer großes Aluminiumstück.
Einer internationalen Forschergruppe ist es zum ersten Mal gelungen, mit einem intensiven Röntgenpuls einen Festkörper vom festen Zustand direkt in den plasmaförmigen zu befördern. Für ihre Untersuchungen nutzten die Wissenschaftler den derzeit weltgrößten Röntgen-Freie-Elektronen-Laser „Linac Coherent Light Source“ (LCLS) im amerikanischen Stanford.
„Bei der Umwandlung der Aluminiumprobe entstand heiße dichte Materie – der Stoff aus dem Gasplaneten zu einem großen Teil bestehen“, erklärt der Jenaer Physiker Ulf Zastrau, der an dem Experiment beteiligt war. „Er kommt auf der Erde selbst nicht vor und lässt sich auch nur sehr schwer künstlich herstellen.“ Auch bei dem Experiment mit der LCLS bestand die heiße dichte Materie nur für wenige Augenblicke, bevor sie verdampfte. Es blieb aber genug für die Forscher, um Untersuchungen anzustellen, deren Auswertungen sie noch über Jahre beschäftigen werden.
Ein Ergebnis konnten sie jedoch veröffentlichen. Es betrifft in erster Linie den Entstehungsprozess der heißen dichten Materie aus dem Aluminiumfestkörper. Trifft Röntgenstrahlung auf Atome, wird sie absorbiert und Elektronen freigesetzt. „Bei gasförmigen Proben sind die Atome sehr weit voneinander entfernt“, erläutert Zastrau. „Aus früheren Experimenten haben wir gelernt, dass die Elektronen bei ihren Atomen bleiben und sich nach einer gewissen Zeit wieder an diese anlagern.“ Bei einem Festkörper gestalte sich das anders. Die Elektronen stießen, ähnlich wie in einem Billardspiel, aufgrund der höheren Dichte mit benachbarten Atomen zusammen und setzten dadurch viele zusätzliche Elektronen frei. „Diese Kollisionen sind der entscheidende Prozess die Entwicklung des Plasmas – und damit der heißen dichten Materie“, fasst der Physiker das Ergebnis zusammen.
In erster Linie sind diese Untersuchungen Grundlagenforschung für die Plasma- und Astrophysik. Denn was bei den Experimenten nur für einen Bruchteil von Sekunden stabil ist, existiert im Inneren von großen Planeten und Sternen seit Jahrmillionen. Mit den neuen Erkenntnissen können sich die Forscher nun ein präziseres Bild davon machen, aus welchen Schichten sie aufgebaut sind, welche Temperaturen und Drücke in ihrem Inneren vorherrschen und wie ihr Magnetfeld entsteht.
U. Jena / PH
