Warm wie Jupiter, kälter als die Sonne

Mein Vater war gelernter Huf- und Wagenschmied und erzählte immer, wie sein Chef ihm ausgetrieben hat, rot glühendes Eisen “heiß” zu nennen: “Heiß ist die Suppe, wenn sie von Herd kommt, das Eisen ist warm!” Warum Eisen für Schmiede nicht heiß ist, ist wahrscheinlich ähnlich grundlegend wie, warum Ingenieure von Schraubendrehern reden, wenn sie Schraubenzieher meinen. Man gewöhnt sich dran.

Weniger auf Gewohnheit beruhend ist der Begriff “warm dense matter” für einen Zustand, den wir alltags-sprachlich eher als “heiß” bezeichnen würden: Warm ist Materie, wenn ihre innere Energie ausreicht, um Elektronen von Atomrümpfen zu trennen, nicht aber, um Verschmelzung der Atomkerne, also Kernfusion auszulösen. Sie ahnen schon, wo so etwas vorkommt: Große Planeten wie Saturn oder Jupiter erzeugen in ihrem inneren große Drücke, in der Materie stark komprimiert und warm ist, aber keine Kernfusion einsetzt. Sonst wären es ja Sterne.

Aggregatzustände gehören zu den Phänomenen der Physik, hinter denen mehr steckt als die Schulweisheit sich träumen lässt. Wasser ist bei Zimmertemperatur flüssig. Erhitzen wir es über 100 °C hinaus, so verdampft es und wird gasförmig. Kühlen wir es unter 0 °C, gefriert es zu einem Festkörper. Dasselbe passiert mit allen einfacheren Stoffen, nur bei unterschiedlichen Temperaturen. Für Wasserstoff, dem einfachsten Atom, liegen die bei -252.9 °C und -259,3 °C.

Dass Temperatur fest, flüssig und gasförmig bestimmt, ist nicht die ganze Wahrheit, denn der Zustand von Materie hängt auch vom Druck ab. Ähnlich wie wir bei Normaldruck den Schmelz- und Gefrierpunkt von Materie angeben können, gibt es bei gegebener Temperatur einen Druck, bei dem die Flüssigkeit zu verdampfen beginnt, und einen Druck, bei dem sie fest wird.1

Druck und Temperatur sind also die entscheidenden Größen. Sind beide klein, so haben wir es mit Tieftemperaturphysik zu tun. Dort spielen quantenmechanische Effekte eine große Rolle. Hohe Drücke bei niedrigen oder moderaten Temperaturen sind relativ uninteressant, weil sich in dem Bereich nicht sehr viel tut, die Atome können sich kaum rühren. Hohe Temperaturen bei moderaten Drücken, finden wir in der Plasmaphysik, über die ich kürzlich erst schrieb.

Plasmen sind Gase aus Elektronen und Atomrümpfen. Sie sind, wenn sie durch Magnetfelder langfristig gehalten werden sollen, sehr dünn. Erst die Kombination aus hohen Drücken und hohen Temperaturen erlaubt es, Materie zu studieren, bei der Atomkerne und Elektronen frei sind, die Dichte aber in der Größenordnung von Flüssigkeiten oder Festkörpern sind. Wir reden von tausenden Grad und über hundert Gigapascal. Hier kommen wir in den Bereich warmer, dichter Materie.

Ist es schon schwer, dünne Plasmen lange Zeit zu halten, so ist das für warme, dichte Materie schlicht unmöglich: Es gibt auf der Erde keine Einrichtungen, Materie in der Dichte von Festkörpern und mit Plasmatemperaturen zu halten. Wände kommen nicht in Frage, weil sie schmelzen würden und die untersuchte Materie zu stark abkühlen. Magnetfelder können dem auftretenden Druck nicht widerstehen. In der Natur kommt warme, dichte Materie deshalb nur dort vor, wo die Schwerkraft von Planeten die Atome zusammen hält. Also im Erdkern oder in den Gasriesen Jupiter und Saturn.

Dort aber macht der Druck einen entscheidenden Unterschied. Während gefrorener Wasserstoff bei Normaldruck glasartig durchsichtig und nicht leitend ist, kann er bei hohem Druck und großer Temperatur metallisch sein. Wasserstoffatome sind chemisch gesättigt und lassen sich optisch nicht leicht anregen. So wie die Silizium-Dioxid-Moleküle im Glas. Deshalb sind beide Stoffe durchsichtig. Die Elektronen sind fest an ihren Atomen (bzw. Molekülen) gebunden und können sich nicht frei bewegen. Deshalb leiten Glas und gefrorener Wasserstoff nicht. Bei hohem Druck und hoher Temperatur sind die Elektronen dagegen frei beweglich. Sie haben ausreichend Energie, von Atom zu Atom zu gleiten. Warmer dichter Wasserstoff ist somit ein Metall.

Die elektrische Leitfähigkeit des metallischen Wasserstoffs im Kern großer Planeten hat Einfluss auf magnetische Felder dieser Himmelskörper. Sie ist außerdem ein Faktor der Wärmeleitfähigkeit und beeinflusst so den Wärmehaushalt der Planeten. Es ist also durchaus interessant, den Zustand warmer dichter Materie zu kennen.

Im Labor wird warme Materie durch Laser mit extremen Maximalleistungen oder Energiedichten kurzzeitig erzeugt. Der Laser treibt eine warme Druckwelle durch das Material und die Forscherinnen und Forscher beobachten entweder die dabei entstehende Strahlung oder sie proben den Zustand zeitgleich mit anderen Lasern oder mit Röntgenstrahlung. Das sind indirekte Messungen, die mit den Ergebnissen von Modellrechnungen verglichen werden müssen, um Aussagen über warme, dichte Materie zu machen. Solche Experimente werden unter anderem am European XFEL, an dem ich für Probenumgebungen zuständig bin durchgeführt werden.

Anmerkungen:
1. Bei Temperaturen unterhalb des Tripelpunktes, gibt es nur einen Übergang von Gas nach Feststoff. Flüssigkeiten gibt es dort nicht mehr.

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Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

3 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Wie exotisch “Warm Dense Matter” ist, zeigt auch das Temperatur/Dichte-Diagramm für diese Form der Materie. “Warme Dichte Materie” ist an Orten mit Verhältnissen zu erwarten, die zwischen dem Sonneninnern und der Oberfläche von braunen Zwergen liegen. Nun könnte man sagen, das ist Materie, mit der wir Menschen sowenig zu tun haben wie mit dem Sonneninnern. Doch das stimmt nicht ganz. Auch bei der Laserfusion und anderen Formen der Nuklearfusion, die den Fusionsbrennstoff stark komprimieren und zugleich erhitzen um ihn zur Zündung zu bringen, entsteht warme, dichte Materie. Oder auch zu Beginn der Explosion einer Atombombe.

    Wenn es tatsächlich metallischen Wasserstoff im Innern von Jupiter und anderen Gasriesen gibt, dann hat das für den Jupiter und sein Magnetfeld wohl grosse Bedeutung, denn metallischer Wasserstoff sollte ein sehr guter Stromleiter sein. Tatsächlich ist das Jupiter-Magnetfeld ja um ein Vielfaches stärker als das Erdmagnetfeld.

  2. Zwischen “gleichzeitig” und “zeitgleich” besteht nicht nur ein signifikanter Unterschied, sondern ein epochaler !
    Genauso ist es mit “sollte”, “müßte”, “dürfte” und “ist”.

  3. Pingback:Leistung oder Energie. Was Laser können. » Quantenwelt » SciLogs - Wissenschaftsblogs

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