Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben experimentell die Bedingungen nachgebildet, die tief im Innern von Riesenplaneten wie Jupiter, Uranus und vielen der neu entdeckten Planeten außerhalb unseres Sonnensystems herrschen.
Die Forscher können jetzt jene Materialeigenschaften nachbilden und genau messen, welche die Entwicklung dieser Planeten im Verlauf der Zeit steuern. Das sind entscheidende Informationen für das Wissen, wie diese massereichen Objekte entstehen. Die Studie konzentrierte sich auf Kohlenstoff, das vierthäufigste Element im Universum (nach Wasserstoff, Helium und Sauerstoff), welches eine wichtige Rolle bei vielen Planetentypen innerhalb und außerhalb unseres Sonnensystems spielt. Die Forschungsarbeit ist in der Nature-Ausgabe vom 17. Juli 2014 erschienen.
Mit dem größten Laser der Welt an der National Ignition Facility (NIF) des Lawrence Livermore National Laboratory komprimierten Teams des LLNL, der University of California in Berkeley und der Princeton University Proben unter dem 50-Millionenfachen des irdischen Luftdrucks. Das ist vergleichbar mit den Druckverhältnissen in den Kernen von Jupiter und Saturn. Von den 192 Strahlengängen der NIF nutzte das Team 176 mit einem zeitlich genau gesteuerten Energieausstoß, um eine Druckwelle zu erzeugen, die das Material für eine kurze Zeitperiode komprimierte. Die Probe aus Diamant wird in weniger als einer zehn Milliardstel Sekunde verdampft.
Obwohl Diamant das am wenigsten komprimierbare bekannte Material ist, waren die Forscher in der Lage, es zu einer beispiellosen Dichte zu komprimieren, die größer als jene von Blei bei Raumbedingungen ist. „Die hier entwickelten experimentellen Techniken sind eine neue Möglichkeit, um die Druck- und Temperaturbedingungen tief im Innern von Planeten experimentell nachzubilden“, sagte Ray Smith, Physiker am LLNL und leitender Autor der Studie.
Solche Druckverhältnisse wurden zwar schon erreicht, aber nur mit Schockwellen, die auch hohe Temperaturen von hunderttausenden Grad Celsius oder mehr erzeugen, was nicht realistisch für das Innere von Planeten ist. Die technische Herausforderung war, die Temperaturen niedrig genug zu halten, um für Planeten relevant zu sein. Das Problem ist vergleichbar damit, einen Pflug langsam genug zu bewegen, um Sand vorwärts zu schieben, ohne ihn aufzutürmen. Das wurde erreicht, indem man die Rate, mit der sich die Laserintensität im zeitlichen Verlauf ändert, sorgfältig steuerte.
„Diese neue Möglichkeit, um Materie bei atomaren Druckverhältnissen zu erforschen, wo Extrapolationen von früheren Schock- und statischen Daten unzuverlässig werden, setzt neue Grenzen für die Theorie über dichte Materie und Modelle über die Planetenentwicklung“, sagte Rip Collins, ebenfalls Physiker am Lawrence Livermore National Laboratory und Mitglied des Teams.
Die in dieser Arbeit beschriebenen Daten gehören zu den ersten Tests von Vorhersagen, die in den Anfangstagen der Quantenmechanik vor über 80 Jahren gemacht wurden und die üblicherweise verwendet werden, um Materie im Zentrum von Planeten und Sternen zu beschreiben. Obwohl die Übereinstimmung zwischen diesen neuen Daten und der Theorie gut ist, hat man wichtige Unterschiede entdeckt. Das deutet auf potenzielle verborgene Schätze in den Eigenschaften von Diamanten hin, die auf solche Extreme komprimiert wurden. Zukünftige Experimente an der NIF werden sich mit der Aufdeckung dieser Geheimnisse befassen.
Quelle: https://www.llnl.gov/news/newsreleases/2014/Jul/NR-14-07-07.html
(THK)
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