Forscher spähen tief in große Gasplaneten

[VolkswagenStiftung - 19.03.2014] Forscher spähen tief in große Gasplaneten

Dr. Ulf Zastrau von der Universität Jena untersucht mit Kollegen mit einem Röntgenlaser flüssigen Wasserstoff. So gelingt ihnen der Blick in Planeten wie Jupiter und Saturn.
Die Atmosphäre von Gasplaneten, also ihre gasförmige Hülle, besteht zum großen Teil aus Wasserstoff. Das experimentelle Wissen über den Wasserstoff im Inneren solcher Planeten wie Jupiter ist jedoch gering, auch wenn theoretische Modelle vorliegen. Einen neuen praktischen Forschungsansatz verfolgt ein Team von Forschern um Dr. Ulf Zastrau von der Uni Jena: "Was wir machen, ist Labor-Astrophysik. Das bedeutet: Wir wollen verstehen, was in großen Gasplanten, in kleinen Sternen und bei der Kernfusion vor sich geht."
Für ihre Untersuchungen verwenden die Wissenschaftler kalten, flüssigen Wasserstoff als eine Art Probe aus der Planetenatmosphäre. Denn flüssiger Wasserstoff hat eine Dichte, wie sie den unteren Atmosphärenschichten großer Gasplaneten entspricht. Bei Gasplaneten wie dem Jupiter ist die Oberfläche gasförmig-flüssig, die Grenze zwischen den Planeten selbst und der Atmosphäre ist dabei fließend bzw. nicht genau festzulegen. Bei Versuchen mit dem Röntgenlaser FLASH am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg haben die Forscher den flüssigen Wasserstoff hoher Dichte auf einen Schlag von -253 C (nahe des absoluten Temperaturnullpunktes) auf rund 12.000 C erhitzt und dabei die Eigenschaften des Elements während der Anregung durch das Erhitzen beobachtet. Der Versuch zeigt in einer Art Superzeitlupe, wie flüssiger Wasserstoff zu Plasma wird. Die Beobachtungen geben somit Aufschluss über dessen Wärmeleitfähigkeit und inneren Energieaustausch, was für ebendiese Planetenmodelle von großer Bedeutung ist, denn in den großen Gasplaneten findet ein starker Wärmetransport von innen nach außen statt. Durch das Wissen über die thermische und elektrische Leitfähigkeit der einzelnen Wasserstoffschichten in der Atmosphäre eines Gasplaneten lässt sich das zugehörige Temperaturprofil berechnen. Die Wissenschaftler haben ihre Versuche jetzt im Fachblatt "Physical Review Letters" vorgestellt
Durch dieses Experiment öffnen sich für die Wissenschaftler Wege für weitere Untersuchungen, beispielsweise an dichteren Plasmen schwererer Elemente und Gemische, wie sie im Inneren von Planeten vorkommen. Von den Ergebnissen erhoffen sie sich unter anderem Antworten auf die Frage, warum die außerhalb unseres Sonnensystems entdeckten Planeten nicht in allen denkbaren Kombinationen von Eigenschaften wie Alter, Masse, Größe oder Elementzusammensetzung auftreten, sondern in bestimmte Gruppen eingeordnet werden können. An der Studie waren außer den Universitäten Jena und Rostock sowie dem DESY auch Forscher vom Helmholtz-Institut Jena, der Universität Oxford, dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, dem Hamburg Centre for Ultrafast Imaging, der Universität Münster und dem Europäischen Röntgenlaser European XFELauch die US-Forschungszentren Lawrence Livermore National Laboratory sowie das SLAC National Accelerator Laboratory beteiligt. Die VolkswagenStiftung unterstützt Zastraus Arbeit seit 2012 für drei Jahre mit rund 320.000 Euro durch ein Peter-Paul-Ewald-Fellowship.
Originalveröffentlichung
"Resolving ultra-fast heating of dense cryogenic hydrogen"; U. Zastrau et al.; Physical Review Letters, 2014; DOI: 10.1103/PhysRevLett.

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