Das Innenleben von Himmelskörpern erforschen

Hochleistungslaser DRACO

Im Inneren kosmischer Giganten wie Jupiter oder der Sonne verwandeln extrem großer Druck und hohe Temperatur Materie in Plasma – ein brodelndes Gemisch wild umherfliegender Atome, Ionen und Elektronen. Die Materie ist dichter als alle bekannten Festkörper – aber auch derart heiß, dass sie den Schmelzpunkt jeglichen Materials übersteigt. Im Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) gehen Forscher der „Warmen Dichten Materie“ seit Anfang März 2018 auf den Grund.

„Obwohl es sich die meisten Menschen in ihrem täglichen Leben wahrscheinlich nicht vorstellen können, ist die warme dichte Materie der häufigste Zustand im Universum“, erzählt Dr. Katerina Falk. „Wir finden sie in Sternen, Galaxien und kosmischen Nebeln. Trotzdem gibt es hier immer noch viel zu entdecken.“

Nach Einschätzung der Forscherin liegt das vor allem an den Schwierigkeiten, die Materieform experimentell zu untersuchen. Die warme dichte Materie lässt sich mit bisher verfügbaren Sonden und Methoden nicht ausreichend erforschen. Katerina Falk will deshalb mit einem Postdoc und zwei Doktoranden hierfür geeignetere Verfahren entwickeln. Dazu nutz sie die beiden Hochleistungslasern DRACO (im Bild) und zukünftig PENELOPE.

„Indem wir einen hochintensiven Laserpuls auf eine gasförmige Probe schießen, erzeugen wir im Labor ein Plasma“, erläutert Falk. „Der Puls reißt Elektronen aus den Atomen heraus und kreiert so eine Art Blase im Plasma, die ein starkes elektrisches Feld enthält. Dieses Feld wiederum, das der Laserpuls mit sich zieht, schließt die Elektronen ein und beschleunigt sie auf diese Weise bis fast auf Lichtgeschwindigkeit. Die dabei entstehende Strahlung können wir nutzen, um Materie zu durchleuchten.“

Aufbauend auf dem Prinzip will die Forscherin eine neuartige Plattform entwickeln, die Lang- und Kurzpuls-Laser mit räumlich aufgelösten Röntgenstrahlen sowie Techniken der Elektronenstreuung kombiniert. Falk erhofft sich neue Erkenntnisse über fundamentale Vorgänge in der warmen dichten Materie – dem Strahlungstransport, der Wärmeübertragung oder der elektrischen Leitfähigkeit.

„Diese Prozesse spielen bei vielen astrophysikalischen Phänomenen eine entscheidende Rolle, zum Beispiel bei der Entstehung der Planeten oder der Magnetfelder in ihrem Kern“, erklärt die Physikerin. Im Anschluss an die Experimente in Dresden will sie die neuen Methoden weiter testen.

Foto: Ultrastarke Laserblitze des Hochleistungslasers DRACO am HZDR gelangen in die Vakuumkammer und feuern auf ein Material. Die Wucht des Lichtpulses entreißt den Atomen die Elektronen, ein Plasma entsteht mit einigen hundert Megaelektronenvolt Energie – auf einer Strecke von wenigen Millimetern. © Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf / Rainer Weisflog