Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Röntgenlaser FLASH späht tief in große Gasplaneten - Wichtige Daten für Planetenmodelle

11.03.2014

Mit DESYs Röntgenlaser FLASH haben Forscher tief in die unteren Atmosphärenschichten großer Gasplaneten wie Jupiter oder Saturn gespäht. Die Beobachtung des Teams um Dr. Ulf Zastrau von der Universität Jena zeigt in einer Art Superzeitlupe, wie flüssiger Wasserstoff zu Plasma wird, und gibt damit Aufschluss über dessen Wärmeleitfähigkeit und inneren Energieaustausch, was für Planetenmodelle von großer Bedeutung ist. Die Wissenschaftler stellen ihre Versuche in dieser Woche im Fachblatt „Physical Review Letters“ vor.

Die Atmosphäre von Gasplaneten besteht zum großen Teil aus Wasserstoff, dem häufigsten chemischen Element im Universum. „Man weiß experimentell kaum etwas über den Wasserstoff im Inneren solcher Planeten“, sagt Zastrau.


Bild des Wasserstoffstrahls in der Experimentierkammer.

Bild: Sven Toleikis/DESY


Der Gasplanet Jupiter, aufgenommen von der europäisch-amerikanischen Raumsonde "Cassini-Huygens"

Bild: NASA/JPL/Space Science Institute

„Auch wenn die theoretischen Modelle schon sehr gut sind.“ Für ihre Untersuchungen haben die Forscher daher kalten, flüssigen Wasserstoff als eine Art Probe aus der Planetenatmosphäre benutzt. „Flüssiger Wasserstoff hat eine Dichte, wie sie den unteren Atmosphärenschichten großer Gasplaneten entspricht“, erläutert Zastrau. Mit DESYs Röntgenlaser FLASH haben die Wissenschaftler den flüssigen Wasserstoff auf einen Schlag von minus 253 Grad Celsius auf rund 12 000 Grad Celsius erhitzt und gleichzeitig die Eigenschaften des Elements während des Erhitzens beobachtet.

Wasserstoff ist das einfachste Atom des Periodensystems, es besteht aus einem Proton im Atomkern, das von einem einzelnen Elektron umkreist wird. Normalerweise kommt Wasserstoff als hantelförmiges Molekül aus zwei Atomen vor. Durch den Röntgenlaserblitz werden zunächst nur die Elektronen erhitzt, die nach und nach ihre Energie an die etwa 2000 mal schwereren Protonen abgeben, bis sich ein thermisches Gleichgewicht einstellt.

Die Molekülbindungen brechen dabei auf, es entsteht ein sogenanntes Plasma aus Elektronen und Protonen. Obwohl dazu viele tausend Stöße zwischen Elektronen und Protonen nötig sind, stellt sich das thermische Gleichgewicht bereits nach knapp einer billionstel Sekunde (Pikosekunde) ein, wie die Untersuchungen zeigen.

Labor-Astrophysik

„Was wir machen, ist Labor-Astrophysik“, erklärt Zastrau. Bislang stützen sich Forscher auf Rechenmodelle, wenn sie das Innere von Gasplaneten wie Jupiter beschreiben. Wichtige Parameter sind dabei die sogenannten dielektrischen Eigenschaften des Wasserstoffs, das sind unter anderem die Wärme- und die elektrische Leitfähigkeit, denn in den großen Gasplaneten findet ein starker Wärmetransport von innen nach außen statt.

„Die Untersuchung verrät uns die dielektrischen Eigenschaften des flüssigen Wasserstoffs“, berichtet Ko-Autor Dr. Philipp Sperling von der Universität Rostock. „Wenn man weiß, welche thermische und elektrische Leitfähigkeit die einzelnen Wasserstoffschichten in der Atmosphäre eines Gasplaneten haben, lässt sich daraus das zugehörige Temperaturprofil berechnen.“ Mit ihren Versuchen haben die Forscher zunächst einen Punkt im sogenannten Phasendiagramm von Wasserstoff festgelegt. Um ein detailliertes Bild der gesamten Planetenatmosphäre zu erstellen, müssen diese Versuche bei anderen Drücken und Temperaturen wiederholt werden.

Die Untersuchung erfordert großen Aufwand, nicht zuletzt weil Wasserstoff normalerweise auf der Erde nicht in flüssiger Form vorkommt. Um Wasserstoffgas zu verflüssigen, muss es auf etwa 20 Grad über dem absoluten Nullpunkt der Temperatur, also auf -253 Grad Celsius heruntergekühlt werden. „Wir nehmen extrem reinen Wasserstoff aus einer handelsüblichen Gasflasche und pressen ihn durch einen Kupferblock, der von flüssigem Helium gekühlt wird“, beschreibt DESY-Forscher Dr. Sven Toleikis aus dem Team.

Superzeitlupe

In dem Kupferblock wird der Wasserstoff tiefgekühlt, wobei er kondensiert. „Dabei muss die Temperatur sehr genau kontrolliert werden. Wird der Wasserstoff zu kalt, gefriert er und verstopft die Leitung“, sagt Toleikis. Mit einer kleinen Heizung wird der Wasserstoff daher bei Bedarf wieder verflüssigt. Am Ende des Kupferblocks ragt eine Düse wie ein Finger in die Vakuum-Experimentierkammer. Aus ihrer Spitze fließt ein feiner Wasserstoffstrahl, der nur einen fünfzigstel Millimeter (20 Mikrometer) Durchmesser hat. Dieser Aufbau ist in jahrelanger Zusammenarbeit der Universität Rostock mit DESY entstanden.

Um die Eigenschaften des flüssigen Wasserstoffs beim Verdampfen zu untersuchen, beschossen die Forscher den feinen Strahl mit weicher Röntgenstrahlung aus DESYs Freie-Elektronen-Laser FLASH. „Für die Untersuchung haben wir die einzigartige Möglichkeit von FLASH benutzt, die einzelnen Blitze aufzuteilen“, erläutert Toleikis. „Die erste Hälfte des Blitzes heizt den Wasserstoff auf, mit der zweiten Hälfte lassen sich dann seine Eigenschaften untersuchen.“ Mit der sogenannten Split-and-Delay-Einheit, die in Zusammenarbeit mit der Universität Münster und dem Helmholtz-Zentrum Berlin entstanden ist, wird die zweite Hälfte des Blitzes gezielt um winzige Sekundenbruchteile (bis zu 15 billionstel Sekunden) verzögert. Untersucht man das System auf diese Weise zu leicht unterschiedlichen Zeiten, lässt sich in einer Art Superzeitlupe beobachten, wie sich ein thermisches Gleichgewicht zwischen den Elektronen und den Protonen im Wasserstoff einstellt.

Die Interpretation der Beobachtungsdaten war allerdings nicht einfach. „Wir haben lange nicht genau verstanden, was im Experiment passiert“, sagt der Rostocker Arbeitsgruppenleiter Prof. Ronald Redmer. Die Forscher bedienten sich zur Modellierung des Prozesses der sogenannten Dichtefunktionaltheorie, eines Standardwerkzeugs der Quantenphysik, um Systeme mit vielen Elektronen korrekt zu beschreiben. Dieses Standardverfahren funktioniert jedoch nicht für Systeme mit zwei unterschiedlichen Temperaturen wie im FLASH-Experiment. „Erst nachdem wir die Dichtefunktionaltheorie durch ein Zwei-Temperaturen-Modell erweitert haben, ließ sich die Beobachtung richtig beschreiben“, berichtet Redmer.

Schwere Elemente

„Unser Experiment hat uns die Möglichkeiten gezeigt, wie sich dichte Plasmen mit Röntgenlasern untersuchen lassen“, betont Ko-Autor Dr. Thomas Tschentscher, wissenschaftlicher Direktor am Röntgenlaser European XFEL, an dem 2017 erste Experimente möglich sein werden. „Diese Methode öffnet den Weg für weitere Untersuchungen, beispielsweise an dichteren Plasmen schwererer Elemente und Gemische, wie sie im Inneren von Planeten vorkommen. Von den Ergebnissen erhoffen wir uns unter anderem eine experimentell begründete Antwort auf die Frage, warum die bisher außerhalb unseres Sonnensystems entdeckten Planeten nicht in allen denkbaren Kombinationen von Eigenschaften wie Alter, Masse, Größe oder Elementzusammensetzung auftreten, sondern bestimmten Gruppen zugeordnet werden können.“

An der Studie waren außer den Universitäten Jena und Rostock sowie DESY auch Forscher von den US-Forschungszentren SLAC National Accelerator Laboratory und Lawrence Livermore National Laboratory, dem Helmholtz-Institut Jena, der Universität Oxford, dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, dem Hamburg Centre for Ultrafast Imaging (CUI), der Universität Münster und dem Europäischen Röntgenlaser European XFEL beteiligt. Die Arbeit wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Forschungsschwerpunkte (FSP) 301 und 302 gefördert und von der VolkswagenStiftung über eine Peter-Paul-Ewald-Fellowship unterstützt.

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY ist das führende deutsche Beschleunigerzentrum und eines der führenden weltweit. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 Prozent vom BMBF und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert. An seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen bei Berlin entwickelt, baut und betreibt DESY große Teilchenbeschleuniger und erforscht damit die Struktur der Materie. Die Kombination von Forschung mit Photonen und Teilchenphysik bei DESY ist einmalig in Europa.

Originalveröffentlichung
“Resolving ultra-fast heating of dense cryogenic hydrogen”; U. Zastrau et al.; Physical Review Letters, 2014;

Weitere Informationen:

http://www.desy.de/infos__services/presse/pressemeldungen/2014/pm_110314/index_g... Gesamter Meldungstext mit Bildern, Veröffentlichung und wiss. Ansprechpartnern

Dr. Thomas Zoufal | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Quantenverschränkung auf den Kopf gestellt
22.05.2018 | Universität Innsbruck

nachricht Kosmische Ravioli und Spätzle
22.05.2018 | Universität Bern

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: LZH showcases laser material processing of tomorrow at the LASYS 2018

At the LASYS 2018, from June 5th to 7th, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) will be showcasing processes for the laser material processing of tomorrow in hall 4 at stand 4E75. With blown bomb shells the LZH will present first results of a research project on civil security.

At this year's LASYS, the LZH will exhibit light-based processes such as cutting, welding, ablation and structuring as well as additive manufacturing for...

Im Focus: Kosmische Ravioli und Spätzle

Die inneren Monde des Saturns sehen aus wie riesige Ravioli und Spätzle. Das enthüllten Bilder der Raumsonde Cassini. Nun konnten Forscher der Universität Bern erstmals zeigen, wie diese Monde entstanden sind. Die eigenartigen Formen sind eine natürliche Folge von Zusammenstössen zwischen kleinen Monden ähnlicher Grösse, wie Computersimulationen demonstrieren.

Als Martin Rubin, Astrophysiker an der Universität Bern, die Bilder der Saturnmonde Pan und Atlas im Internet sah, war er verblüfft. Die Nahaufnahmen der...

Im Focus: Self-illuminating pixels for a new display generation

There are videos on the internet that can make one marvel at technology. For example, a smartphone is casually bent around the arm or a thin-film display is rolled in all directions and with almost every diameter. From the user's point of view, this looks fantastic. From a professional point of view, however, the question arises: Is that already possible?

At Display Week 2018, scientists from the Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research IAP will be demonstrating today’s technological possibilities and...

Im Focus: Raumschrott im Fokus

Das Astronomische Institut der Universität Bern (AIUB) hat sein Observatorium in Zimmerwald um zwei zusätzliche Kuppelbauten erweitert sowie eine Kuppel erneuert. Damit stehen nun sechs vollautomatisierte Teleskope zur Himmelsüberwachung zur Verfügung – insbesondere zur Detektion und Katalogisierung von Raumschrott. Unter dem Namen «Swiss Optical Ground Station and Geodynamics Observatory» erhält die Forschungsstation damit eine noch grössere internationale Bedeutung.

Am Nachmittag des 10. Februars 2009 stiess über Sibirien in einer Höhe von rund 800 Kilometern der aktive Telefoniesatellit Iridium 33 mit dem ausgedienten...

Im Focus: Bose-Einstein-Kondensat im Riesenatom - Universität Stuttgart untersucht exotisches Quantenobjekt

Passt eine ultrakalte Wolke aus zehntausenden Rubidium-Atomen in ein einzelnes Riesenatom? Forscherinnen und Forschern am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart ist dies erstmals gelungen. Sie zeigten einen ganz neuen Ansatz, die Wechselwirkung von geladenen Kernen mit neutralen Atomen bei weitaus niedrigeren Temperaturen zu untersuchen, als es bisher möglich war. Dies könnte einen wichtigen Schritt darstellen, um in Zukunft quantenmechanische Effekte in der Atom-Ion Wechselwirkung zu studieren. Das renommierte Fachjournal Physical Review Letters und das populärwissenschaftliche Begleitjournal Physics berichteten darüber.*)

In dem Experiment regten die Forscherinnen und Forscher ein Elektron eines einzelnen Atoms in einem Bose-Einstein-Kondensat mit Laserstrahlen in einen riesigen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Quantenverschränkung auf den Kopf gestellt

22.05.2018 | Physik Astronomie

„Spukhafte Fernwirkung“ im Physik-Gebäude: Forscher entwickeln Baustein für Quanten-Repeater

22.05.2018 | Physik Astronomie

Selbstleuchtende Pixel für eine neue Display-Generation

22.05.2018 | Messenachrichten

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics