KERNPHYSIK
Experiment erzeugt Bedingungen wie im Inneren von Riesenplaneten und Sternen
Redaktion / idw / Pressemitteilung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf
astronews.com
31. Mai 2023

Einem internationalen Team ist es in Laborexperimenten gelungen, Materie unter solch extremen Bedingungen zu untersuchen, wie sie sonst nur im Inneren von Sternen oder Riesenplaneten vorkommen. Die Ergebnisse über das Verhalten von Materie unter extremer Kompression sind sowohl für die Astrophysik als auch für die Kernfusionsforschung von Bedeutung.

Mithilfe des stärksten Lasers der Welt konnten Forscherinnen und Forscher Laborexperimente durchführen, bei denen sie Ionisation durch extreme Kompression von Materie erreicht haben. Bild: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory; Inset: Jan Vorberger / Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf  [Großansicht]

Um die extremen Bedingungen zu erzeugen, die sonst nur im Inneren von Sternen oder Riesenplaneten herrschen, nutzten die Forscherinnen und 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 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 30-fachen 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 Dominik Kraus, der zu Beginn des Projektes noch in Kalifornien tätig war und nun Physikprofessor an der Universität Rostock sowie Gruppenleiter am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf ist. "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 sowie Alumnus der Universität Rostock. "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", berichtet Ronald Redmer, Physikprofessor an 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. Mithilfe der Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) am European XFEL in Schenefeld wollen Wissenschaftlerinnen und 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.

Über die Ergebnisse berichten die Forschenden in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Nature erschienen ist.