STERNE
Der vierte Zustand der Materie
Redaktion / idw / Pressemitteilung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf
astronews.com
19. März 2018

Im Inneren von Sternen herrschen extreme Bedingungen: Hohe Temperaturen und ein hoher Druck lassen ein brodelndes Gemisch wild umherfliegender Atome, Ionen und Elektronen entstehen, ein Plasma. Im Universum ist diese warme dichte Materie der häufigste Zustand überhaupt. Eine neue Forschergruppe in Dresden soll diesen nun genauer untersuchen.

Schon die Oberfläche unserer Sonne sieht, in entsprechenden Wellenlängen betrachtet, spektakulär aus. Tief in ihrem Inneren herrschen allerdings weitaus extremere Bedingungen. Bild: NASA / SDO [Großansicht]

Im Inneren kosmischer Giganten, wie der Sonne, herrscht ein merkwürdiger Zustand. Der extrem große Druck und die hohe Temperatur verwandeln die Materie in Plasma – ein brodelndes Gemisch wild umherfliegender Atome, Ionen und Elektronen. Die Materie ist dadurch gleichzeitig dichter als alle bekannten Festkörper, aber auch derart heiß, dass sie den Schmelzpunkt jeglichen Materials übersteigt. Mit ihrer neuen Nachwuchsgruppe geht Dr. Katerina Falk dieser sogenannten "Warmen Dichten Materie" am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) seit Anfang März 2018 auf den Grund. In den nächsten sechs Jahren unterstützt die Helmholtz-Gemeinschaft die Physikerin dafür mit insgesamt 1,8 Millionen Euro.

"Obwohl es sich die meisten Menschen in ihrem täglichen Leben wahrscheinlich nicht vorstellen können, ist die warme dichte Materie der häufigste Zustand im Universum", erzählt Falk. "Wir finden sie in Sternen, Galaxien und kosmischen Nebeln. Trotzdem gibt es hier immer noch viel zu entdecken." Das liegt nach Einschätzung der Forscherin vor allem an den Schwierigkeiten, die Materieform experimentell zu untersuchen. So lässt sich die warme dichte Materie mit den bisher verfügbaren Sonden und Methoden nicht genau genug erforschen.

Falk, die von der tschechischen Extreme Light Infrastructure ELI nach Dresden wechselt, will deshalb mit einem Wissenschaftler und zwei Doktoranden hierfür geeignetere Verfahren entwickeln. Mit den beiden Hochleistungslasern DRACO und zukünftig PENELOPE findet sie am HZDR dafür die perfekte Umgebung. "Indem wir einen hochintensiven Laserpuls auf eine gasförmige Probe schießen, erzeugen wir im Labor ein Plasma", erläutert Falk. "Der Puls reißt Elektronen aus den Atomen heraus und kreiert so eine Art Blase im Plasma, die ein starkes elektrisches Feld enthält. Dieses Feld wiederum, das der Laserpuls mit sich zieht, schließt die Elektronen ein und beschleunigt sie auf diese Weise bis fast auf Lichtgeschwindigkeit. Die dabei entstehende Strahlung können wir nutzen, um Materie zu durchleuchten."

Aufbauend auf dem Prinzip will die Forscherin eine neuartige Plattform entwickeln, die Lang- und Kurzpuls-Laser mit räumlich aufgelösten Röntgenstrahlen sowie innovativen Techniken der Elektronenstreuung kombiniert. Falk erhofft sich dadurch neue Erkenntnisse über fundamentale Vorgänge in der warmen dichten Materie, wie dem Strahlungstransport, der Wärmeübertragung oder der elektrischen Leitfähigkeit. "Diese Prozesse spielen bei vielen astrophysikalischen Phänomenen eine entscheidende Rolle, zum Beispiel bei der Entstehung der Planeten oder der Magnetfelder in ihrem Kern", erklärt die Physikerin.

Im Anschluss an die Experimente in Dresden will sie die neuen Methoden auch in Prag bei ELI sowie an der Helmholtz International Beamline for Extreme Fields HIBEF, die das HZDR am Europäischen Röntgenlaser XFEL in Hamburg aufbaut, testen. Die Nachwuchsgruppe liefert ihr dazu gute Rahmenbedingungen: "Die garantierte Unterstützung über sechs Jahre gibt ausreichend Zeit, um ein Projekt ordentlich durchzuführen." Falk neben ihrer Forschung am HZDR auch einen Kurs im Masterstudiengang Physik an der TU Dresden geben.

Mit den Nachwuchsgruppen will die Helmholtz-Gemeinschaft exzellente Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beim Start in eine eigenständige Karriere unterstützen. Pro Jahr werden 20 Gruppen ausgeschrieben – 2017 konnten sich 16 Forscher die Förderung sichern. Neben Falks Team gibt es am HZDR derzeit drei weitere Helmholtz- sowie eine Emmy Noether-Nachwuchsgruppe der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).