Exotische Mischungen: Röntgenstreuung erlaubt schärfere Einblicke in das Innere von Planeten und Sternen

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 Dr. Dominik Kraus, Hauptautor der Studie und Kopf hinter der Messmethodik.

„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.“

Diamantregen als Energiequelle für Planeten
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, können die Forscher 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.

Mehr Messpräzision durch Röntgenstreuung
In einem früheren Experiment hat das Team um Kraus die mögliche Entstehung von Diamanten in Planeten erstmals mit Hilfe von Röntgenbeugung experimentell nachgewiesen (DOI: 10.1038/s41550-017-0219-9). 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.

Publikation:
S. Frydrych, J. Vorberger, N. J. Hartley, A. K. Schuster, K. Ramakrishna, A. M. Saunders, T. van Driel, R. W. Falcone, L. B. Fletcher, E. Galtier, E. J. Gamboa, S. H. Glenzer, E. Granados, M. J. MacDonald, A. J. MacKinnon, E. E. McBride, I. Nam, P. Neumayer, A. Pak, K. Voigt, M. Roth, P. Sun, D. O. Gericke, T. Döppner, D. Kraus: Demonstration of X-ray Thomson scattering as diagnostics for miscibility in warm dense matter, in Nature Communications, 2020 (DOI: 10.1038/s41467-020-16426-y)

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Dr. Dominik Kraus
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S. Frydrych, J. Vorberger, N. J. Hartley, A. K. Schuster, K. Ramakrishna, A. M. Saunders, T. van Driel, R. W. Falcone, L. B. Fletcher, E. Galtier, E. J. Gamboa, S. H. Glenzer, E. Granados, M. J. MacDonald, A. J. MacKinnon, E. E. McBride, I. Nam, P. Neumayer, A. Pak, K. Voigt, M. Roth, P. Sun, D. O. Gericke, T. Döppner, D. Kraus: Demonstration of X-ray Thomson scattering as diagnostics for miscibility in warm dense matter, in Nature Communications, 2020 (DOI: 10.1038/s41467-020-16426-y)