25.05.2023

Sternmaterie unter extremem Druck

Experimente offenbaren Materialeigenschaften und das Verhalten von Materie unter extremer Kompression.

Einem internationalen Team von Forschenden unter Beteiligung der Universität Rostock und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf HZDR ist es in Labor­experimenten gelungen, Materie unter solch extremen Bedingungen zu untersuchen, wie sie sonst nur im Inneren von Sternen oder Riesen­planeten vorkommt. Ihre Forschungs­ergebnisse enthüllen die Material­eigenschaften und das Verhalten von Materie unter extremer Kompression und haben wichtige Auswirkungen auf die Astrophysik und die Kernfusions­forschung.

Abb.: Mit Hilfe des stärksten Lasers ließ sich eine Ionisation durch extreme...
Abb.: Mit Hilfe des stärksten Lasers ließ sich eine Ionisation durch extreme Kompression von Materie erreichen. (Bild: G. Stewart, SLAC / J. Vorberger, HZDR)

Um die extremen Bedingungen zu erzeugen, nutzten die Forscher den leistungs­stärksten Laser der Welt: die National Ignition Facility (NIF) im kali­fornischen Livermore. Das Team beschoss für die Experimente zunächst mit 184 Laserstrahlen das Innere eines Gold­zylinders. Die in Röntgenstrahlen umgewandelte Laserenergie erhitzte daraufhin eine in der Mitte platzierte Hohlkugel aus Beryllium, die gerade einmal einen Durchmesser von nur zwei Millimetern umfasste. Durch die Erwärmung dehnte sich die Außenseite der Kugel rasch aus, während gleichzeitig die Innenseite mit hoher Geschwindigkeit in sich zusammenfiel. Dadurch traten im Zentrum Temperaturen von etwa zwei Millionen Grad Celsius und Drücke von bis zu drei Milliarden Atmosphären auf. In der Folge entstand im Labor für einige Sekunden­bruchteile ein winziges Stück Materie, das sich sonst im Universum nur in Zwergsternen finden lässt.

Die Berylliumprobe, die bis zum dreißigfachen ihrer ursprünglichen Festkörper­dichte komprimiert war, wurde durch Streuung intensiver Röntgen­strahlung untersucht, um Rückschlüsse auf ihre Dichte, Temperatur und elektronische Struktur zu ziehen. Die Ergebnisse zeigten, dass nach starker Erhitzung und Kompression mindestens drei von vier Elektronen im Beryllium in leitende Zustände übergingen. Darüber hinaus identi­fizierten die Forschenden eine unerwartet schwache elastische Streuung der Röntgen­strahlung, was auf eine geringere Bindung des verbleibenden Elektrons an den Atomkern hinweist.

Die Materie im Inneren von Riesen­planeten und kleinen Sternen wird durch das Gewicht der darüber liegenden Schichten stark komprimiert. Die hohen Drücke, die die extreme Kompression erzeugt, führen die Atome so eng zusammen, dass kein Platz mehr für gebundene Elektronen bleibt. Allein durch die hohe Dichte kann ein vollständig ionisiertes Plasma aus Atomkernen und freien Elektronen entstehen. „Der Grad der Ionisation von Atomen im Inneren von Sternen ist entscheidend dafür, wie effektiv Energie vom Zentrum durch Strahlung nach außen transportiert werden kann. Ist dies zu stark eingeschränkt, wird es in den Himmelskörpern turbulent, ähnlich wie in einem Kochtopf“, erläutert HZDR-Gruppen­leiter Dominik Kraus. „Ist es zu turbulent, könnte wahrscheinlich kein Leben, wie wir es kennen, in der nahen Umlaufbahn um kleine Sterne möglich sein.“

„Trotz ihrer Bedeutung für die Struktur und Entwicklung von Himmels­objekten ist die druckbedingte Ionisation als Weg zu hoch­ionisierter Materie theoretisch nicht gut verstanden, da die erforderlichen extremen Materie­zustände im Labor nur sehr schwer zu erzeugen und zu untersuchen sind“, erklärt Tilo Döppner, Projektleiter am Lawrence Livermore National Laboratory. „Über die Astrophysik hinaus haben die Ergebnisse auch erhebliche Auswirkungen auf die Trägheits­fusionsexperimente an der NIF, wo Röntgenabsorption und Kompressi­bilität Schlüsselparameter für die Optimierung von Hochleistungs­fusionsexperimenten und somit für die mögliche Entwicklung einer nahezu uner­schöpflichen, kohlenstoff­freien Energiequelle durch lasergetriebene Kernfusion sind.“

„Die bahnbrechenden Ergebnisse wurden auch durch die engagierte Arbeit von Doktoranden an der Universität Rostock und am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf ermöglicht, die teilweise Forschungs­aufenthalte an der NIF in Kalifornien absolviert haben“, sagt Ronald Redmer von der Universität Rostock und Experte in der theoretischen Beschreibung von dichten astro­physikalischen Plasmen. „Die Auswertung der Ergebnisse aus dem komplizierten Experiment­aufbau und die Modellierung der untersuchten Plasmazustände ist hochkomplex und benötigt enormen Aufwand an Rechenleistung. Es hat mehrere Jahre gebraucht, um das aktuelle Verständnis der experi­mentellen Daten zu erreichen.“

Weitere Einblicke in Materie bei Drücken von Milliarden Atmosphären versprechen sich die Forschenden auch von einer Anlage in Deutschland. Mit Hilfe der Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) am European XFEL in Schenefeld wollen Wissen­schaftler der Universität Rostock und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf ähnliche Bedingungen in deutlich kleinerem Maßstab erreichen. Dadurch würde eine vielfach größere Anzahl von Experimenten möglich, als es aktuell an der NIF rea­lisierbar ist.

HZDR / JOL

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