Et røntgenbillede af kulstof

I hjertet af planeter, ekstreme tilstande findes:temperaturer på tusindvis af grader, tryk en million gange større end atmosfærisk tryk. De kan derfor kun udforskes direkte i begrænset omfang - hvilket er grunden til, at ekspertsamfundet forsøger at bruge sofistikerede eksperimenter til at genskabe tilsvarende ekstreme forhold. Et internationalt forskerhold, herunder Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har tilpasset en etableret målemetode til disse ekstreme forhold og testet den med succes:Ved hjælp af lysglimt fra verdens stærkeste røntgenlaser lykkedes det holdet at se nærmere på ved det vigtige element, kulstof, sammen med dets kemiske egenskaber. Som rapporteret i journalen Plasmas fysik , metoden har nu potentialet til at levere ny indsigt i planeternes indre både i og uden for vores solsystem.

Varmen er utænkelig, trykket enormt:Forholdene i Jupiters eller Saturns indre sikrer, at det stof, der findes dér, udviser en usædvanlig tilstand:Det er så tæt som et metal, men på samme tid, elektrisk ladet som et plasma. "Vi omtaler denne tilstand som varmt tæt stof, " forklarer Dominik Kraus, fysiker ved HZDR og professor ved universitetet i Rostock. "Det er en overgangstilstand mellem fast tilstand og plasma, der findes i planeternes indre, selvom det kan forekomme kortvarigt på Jorden, også, for eksempel under meteornedslag." At undersøge denne stoftilstand i alle detaljer i laboratoriet er en kompliceret proces, der involverer, for eksempel, affyring af stærke laserglimt mod en prøve, og, for et øjeblik, opvarmning og kondensering.

Men hvad er de kemiske egenskaber ved denne varme tætte substans egentlig? Indtil nu, eksisterende metoder har kun givet utilfredsstillende svar på dette spørgsmål. Så, et hold fra seks lande fandt på noget nyt, baseret på den stærkeste røntgenlaser i verden, den europæiske XFEL i Hamborg. I en kilometer lang speeder, ekstremt kort, der genereres intensive røntgenimpulser. "Vi rettede pulserne mod tynde kulfolier, " siger hovedforfatter Katja Voigt fra HZDR's Institute of Radiation Physics. "De var lavet af grafit eller diamanter." I folierne, en lille del af røntgenglimtene er spredt på elektroner og deres umiddelbare omgivelser. Det afgørende er, at de spredte glimt kan afsløre, hvilken slags kemisk binding kulstofatomerne har dannet med deres omgivelser.

Efter tvivlen kom overraskelsen, kendt som røntgen-Raman-spredning, forskere inden for områder som materialevidenskab har brugt denne metode i et stykke tid. Men for første gang, holdet omkring Voigt og Kraus har formået at udstyre det til eksperimenter for at sondere varmt tæt stof. "Nogle eksperter var i tvivl om det kunne virke, " forklarer Kraus. Detektorerne, i særdeleshed, som skal fange røntgensignalerne udsendt af kulstoffolierne, skal være både højeffektive og højopløselige - en stor teknisk udfordring. Men analysen af ​​måledataene viste tydeligt, hvilke bindingstilstande kulstoffet var kommet ind i. "Vi var lidt overraskede over, at det fungerede så godt, siger Voigt, åbenbart tilfreds. Hvis de skulle anvende metoden til at varme tæt stof, imidlertid, noget manglede stadig - stærke laserglimt, der ville drive kulstoffolierne til høje tryk og temperaturer på op til flere 100, 000 grader. Til dette formål, Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF), som for nylig blev indviet i HZDR-regi ved det europæiske XFEL, kommer i spil. Det er et af de mest moderne forskningsfaciliteter i verden med højtydende lasere, der kunne udføre de første Raman-røntgenforsøg om få måneder. "Jeg er virkelig optimistisk om, at det vil virke, siger Dominik Kraus.

Kometstyrt i laboratoriet Metoden kunne meget vel lette mange forskellige videnskabelige indsigter:for det første, det er uklart, hvor mange lette grundstoffer som kulstof eller silicium er til stede i Jordens kerne. Laboratorieforsøg kunne give vigtige indikatorer. "Den nye metode er ikke begrænset til kulstof, men kan anvendes på andre lette elementer, " Katja Voigt forklarer. Et andet spørgsmål, der skal undersøges, omhandler det indre af såkaldte gasgiganter som Jupiter og isgiganter som Neptun. Her, komplekse kemiske reaktioner vil finde sted - som de vil i fjerne exoplaneter af lignende statur. Det burde være muligt at genindføre disse processer i laboratoriet ved hjælp af røntgen-raman-metoden. "Måske kan det være muligt at løse gåden om, hvilke reaktioner der er ansvarlige for, at planeter som Neptun og Saturn udsender mere energi, end de egentlig burde, " håber Kraus.

Ud over, denne nye metode skulle gøre det muligt for forskere at simulere kometnedbrud i miniatureskala:Hvis kometer virkelig transporterede organisk stof til Jorden en gang ad gangen - kunne styrtet have udløst kemiske reaktioner, der gav fordel for livets udvikling? Og metoden rummer endda potentiale for tekniske anvendelser:I princippet, det synes muligt, under ekstreme forhold, der kunne dannes nye materialer, som kunne udvise fascinerende egenskaber. Et eksempel kunne være en superleder, der fungerer ved stuetemperatur og ikke behøver kompliceret afkøling som eksisterende materialer. En stuetemperatur superleder af denne art ville være af stor teknologisk interesse, da den kunne lede elektricitet helt tabsfrit uden at skulle køle den med flydende nitrogen eller flydende helium.