Ein irdischer Druckrekord: Erstmals haben Forscher experimentell die Bedingungen erzeugt, wie sie im Inneren von Gasriesen und exotischen Diamantplaneten herrschen. Mit Hilfe gebündelter Laserstrahlen komprimierten sie dafür Diamant auf Drücke von mehr als fünf Terapascal – das entspricht dem 50 millionenfachen Druck der Erdatmosphäre.
„Kohlenstoff ist das vierthäufigste Element im Kosmos und spielt daher eine potenziell wichtige Rolle in vielen Arten von Planeten“, erklären Ray Smith vom Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien und seine Kollegen. Was aber mit dem Kohlenstoff im Kern von Gasriesen wie Jupiter oder Saturn oder aber der neu entdeckten exotischen Diamantplaneten geschieht, lässt sich bisher nur mit Modellen und Theorien beschreiben. Denn die Drücke von mehreren Terapascal waren bisher für Experimente unerreichbar.
176 Hochleistungslaser
Smith und seine Kollegen haben nun das vermeintlich Unmögliche möglich gemacht. Für ihr Experiment nutzten die Forscher den wahrscheinlich größten Laser der Welt: Eine Laserkammer an der US National Ignition Facility (NIF), in der 176 Laserstrahlen mit der Gesamtenergie von 2,2 Terawatt auf ein wenige Millimeter großes Ziel fokussiert werden können. Normalerweise dienen diese ungeheuren Energien dazu, Materialproben so stark zu komprimieren, dass eine Kernfusion eintritt.
Einen prominenten Auftritt hatte die Laserkammer auch schon in Hollywood: Sie stellte im Film „Star Trek – Into Darkness“ den Warpkern des Raumschiffs Enterprise dar. Für die aktuelle Studie ging es den Forscher jedoch neben der Laserleistung um einen weiteren Vorteil der Anlage: Der Druck auf die Probe wird nach und nach durch mehrere Kompressionswellen erhöht. Dadurch heizt sich das Material nicht so stark auf und die Bedingungen entsprechen eher denen im Inneren von Planeten, wie die Forscher erklären.
Ein Druck wie im Kern des Saturn
Mit Hilfe dieser Anlage gelang es den Forschern, eine nur rund 150 Mikrometer große Diamantprobe auf fünf Terapascal zu komprimieren – dies entspricht dem 50 millionenfachen Druck der Erdatmosphäre. Erstmals wurde damit Diamant einem Druck ausgesetzt, wie er beispielsweise im Kern des Gasplaneten Saturn herrscht. „Unter solchen Bedingungen verändert sich die Materialstruktur und Chemie, selbst die Eigenschaften der Atome selbst könnten sich ändern“, erklären Smith und seine Kollegen.
Wie sie berichten, entsprach das Verhalten des Diamants unter dem zunehmenden Druck relativ gut den theoretischen Modellen. Allerdings gab es im Experiment keine Anzeichen für einen oder mehrere Phasenübergänge des Diamants, wie es einige Modelle vorhersagen. Bei diesen Übergängen ändert sich die Kristallstruktur, was zu einer noch dichteren Packung der Atome führt und auch ihre Eigenschaften wandelt. Ob diese Übergänge im Versuch nur noch nicht nachgewiesen werden konnten oder tatsächlich nicht auftraten, muss noch geklärt werden.
Exotische Diamantplaneten
Der Diamantversuch gibt aber auch Aufschluss über Innenleben und Größe von Diamantplaneten wie dem im Jahr 2012 entdeckten Planeten 55 Cancri e. Diese Supererde kreist um einen sonnenähnlichen Stern und liegt nur rund 41 Lichtjahre von der Erde entfernt. Aus den Experimentdaten stellten die Forscher ein Modell auf, das die Masse, den Druck im Inneren und den Radius solcher Planeten ins Verhältnis setzt. Für 55 Cancri e kamen sie dabei auf eine Größe, die bisherige Schätzungen von etwa dem Doppelten des Erdradius bestätigt.
Ein weiterer, 2011 entdeckter Diamantplanet umkreist einen Pulsar in rund 4.000 Lichtjahren Entfernung. Ausgehend von ihren Daten errechneten Smith und seine Kollegen, dass dieser ferne Exot vermutlich 4,5 Mal so groß ist wie die Erde und dass in seinem Inneren der Druck von 148 Terapascal herrscht – 320 Mal so viel wie im Erdkern.
„Der einzige Weg, um die Bedingungen im Inneren so großer Planeten nachzubilden ist die hier von uns eingesetzte Kompressionstechnik“, konstatiert Smith. Solche Experimente könnten daher viel dazu beitragen, mehr über Exoplaneten, aber auch über das Innenleben von Gasriesen wie Jupiter und Saturn zu erfahren. Gleichzeitig bieten sie neue Einblicke in das Verhalten von Materie unter Extrembedingungen. (Nature, 2014; doi: 10.1038/nature13526)
(Nature /LLNL, 18.07.2014 – NPO)
