In het hart van planeten, extreme toestanden zijn te vinden:temperaturen van duizenden graden, druk die een miljoen keer groter is dan de atmosferische druk. Ze kunnen daarom slechts in beperkte mate rechtstreeks worden onderzocht. Daarom probeert de gemeenschap van experts geavanceerde experimenten te gebruiken om equivalente extreme omstandigheden na te bootsen. Een internationaal onderzoeksteam, waaronder het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) heeft een gevestigde meetmethode aangepast aan deze extreme omstandigheden en deze met succes getest:met behulp van de lichtflitsen van 's werelds sterkste röntgenlaser slaagde het team erin om het van dichterbij te bekijken bij het belangrijke element, koolstof, samen met zijn chemische eigenschappen. Zoals gerapporteerd in het journaal Fysica van plasma's , de methode heeft nu het potentieel om nieuwe inzichten te verschaffen in het binnenste van planeten, zowel binnen als buiten ons zonnestelsel.

De hitte is onvoorstelbaar, de druk enorm:de omstandigheden in het binnenste van Jupiter of Saturnus zorgen ervoor dat de daar gevonden materie een ongewone toestand vertoont:het is zo dicht als een metaal, maar, tegelijkertijd, elektrisch geladen als een plasma. "We noemen deze toestand warme, dichte materie, " legt Dominik Kraus uit, natuurkundige bij HZDR en professor aan de Universiteit van Rostock. "Het is een overgangstoestand tussen vaste toestand en plasma die wordt gevonden in het binnenste van planeten, hoewel het kort op aarde kan voorkomen, te, bijvoorbeeld tijdens meteoorinslagen." Het onderzoeken van deze toestand van materie in elk detail in het laboratorium is een ingewikkeld proces waarbij, bijvoorbeeld, sterke laserflitsen afvuren op een monster, en, voor een oogwenk, verwarmen en condenseren.

Maar hoe zijn de chemische eigenschappen van deze warme, dichte materie eigenlijk? Tot nu toe, bestaande methoden hebben alleen onbevredigende antwoorden op deze vraag opgeleverd. Dus, een team uit zes landen bedacht iets nieuws, gebaseerd op de sterkste röntgenlaser ter wereld, de Europese XFEL in Hamburg. In een gaspedaal van een kilometer lang, extreem kort, intensieve röntgenpulsen worden gegenereerd. "We richtten de pulsen op dunne koolstoffolies, " zegt hoofdauteur Katja Voigt van HZDR's Institute of Radiation Physics. "Ze waren gemaakt van grafiet of diamanten." In de folies, een klein deel van de röntgenflitsen wordt verstrooid op elektronen en hun directe omgeving. Het cruciale is dat de verstrooide flitsen kunnen onthullen wat voor soort chemische binding de koolstofatomen hebben gevormd met hun omgeving.

Na de twijfels kwam de verrassing. Bekend als X-ray Raman-verstrooiing, onderzoekers op gebieden als materiaalkunde gebruiken deze methode al geruime tijd. Maar voor de eerste keer, het team rond Voigt en Kraus is erin geslaagd om het uit te rusten voor experimenten om warme, dichte materie te onderzoeken. "Sommige experts twijfelden of het zou werken, " legt Kraus uit. De detectoren, vooral, die de röntgensignalen moeten opvangen die worden uitgezonden door de koolstoffolies, moeten zowel zeer efficiënt als met een hoge resolutie zijn - een grote technische uitdaging. Maar de analyse van de meetgegevens liet duidelijk zien in welke bindingstoestanden de koolstof was terechtgekomen. "We waren een beetje verrast dat het zo goed werkte, " zegt Voigt, duidelijk tevreden. Als ze de methode zouden toepassen op het verwarmen van dichte materie, echter, er ontbrak nog iets - sterke laserflitsen die de koolstoffolies tot hoge drukken en temperaturen tot enkele 100 zouden drijven, 000 graden. Voor dit doeleinde, de Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) die onlangs werd ingehuldigd onder auspiciën van HZDR op de Europese XFEL komt in beeld. Het is een van de modernste onderzoeksfaciliteiten ter wereld met krachtige lasers die over enkele maanden de eerste Raman-röntgenexperimenten zouden kunnen uitvoeren. "Ik ben echt optimistisch dat het zal werken, ', zegt Dominik Kraus.

Komeetcrash in het lab De methode zou heel wat verschillende wetenschappelijke inzichten kunnen vergemakkelijken:om te beginnen het is onduidelijk hoeveel lichte elementen zoals koolstof of silicium aanwezig zijn in de kern van de aarde. Laboratoriumexperimenten kunnen belangrijke indicatoren opleveren. "De nieuwe methode is niet beperkt tot koolstof, maar kan worden toegepast op andere lichte elementen, " legt Katja Voigt uit. Een andere te onderzoeken vraag betreft het binnenste van zogenaamde gasreuzen zoals Jupiter en ijsreuzen zoals Neptunus. Hier, complexe chemische reacties zullen plaatsvinden - zoals ze zullen doen in verre exoplaneten van vergelijkbare grootte. Het moet haalbaar zijn om deze processen in het lab na te spelen met behulp van de X-ray Raman-methode. "Misschien is het mogelijk om de puzzel op te lossen over welke reacties verantwoordelijk zijn voor planeten als Neptunus en Saturnus die meer energie uitstoten dan ze eigenlijk zouden moeten, ’ hoopt Kraus.

In aanvulling, deze nieuwe methode zou wetenschappers in staat moeten stellen om komeetcrashes op miniatuurschaal te simuleren:als kometen echt een keer organisch materiaal naar de aarde hebben getransporteerd, zou de crash dan chemische reacties hebben veroorzaakt die de ontwikkeling van leven bevorderden? En de methode heeft zelfs potentieel voor technische toepassingen:het lijkt mogelijk dat, onder extreme omstandigheden, nieuwe materialen zouden kunnen ontstaan ​​die fascinerende eigenschappen zouden kunnen vertonen. Een voorbeeld is een supergeleider die functioneert bij kamertemperatuur en geen ingewikkelde koeling nodig heeft zoals bestaande materialen. Een dergelijke supergeleider bij kamertemperatuur zou van groot technologisch belang zijn omdat hij elektriciteit volledig verliesvrij zou kunnen geleiden zonder deze te hoeven koelen met vloeibare stikstof of vloeibaar helium.