Astrophysik: Weißer Zwerg im Laborexperiment nachgestellt und vermessen

Das Material in weißen Zwergen erreicht eine Dichte von fast einer Tonne pro Kubikzentimeter. Dieser exotische Zustand konnte im Labor ganz kurz erreicht werden.

Artikel von Frank Wunderlich-Pfeiffer veröffentlicht am 1. September 2020, 7:01 Uhr

M57 - der Ringnebel. So ähnlich wird die Sonne nach dem Verlöschen aussehen. Der kleine Punkt in der Mitte ist der weiße Zwerg. (Bild: David Thompson (University of Arizona))

Die Sonne ist jetzt 4,5 Milliarden Jahre alt und befindet sich damit in der Mitte ihrer Existenz als Stern. Im Alter von etwas mehr als 10 Milliarden Jahren wird der Wasserstoff im Kern knapp. Im Kern steigt der Druck und Helium fängt an, zu Kohlenstoff zu verschmelzen. Gleichzeitig fusioniert um den Kern herum weiterhin Wasserstoff zu Helium. Die Sonne bläht sich zum roten Riesen auf, bis das Helium im Kern verbraucht ist. Danach ist Schluss. Der Kern der Sonne kollabiert zu einem weißen Zwerg, der bei einem Druck von bis zu 500 Millionen bar eine Dichte von bis zu einer Tonne pro Kubikzentimeter erreicht.

Der Zustand der Materie in einem solchen weißen Zwerg ist also einigermaßen exotisch. Die sogenannte Zustandsgleichung beschreibt, wie genau sich die Materie unter diesen Umständen verhält. Die war bisher aber reine Theorie und einer Überprüfung durch Experimente kaum zugänglich. Bisher. An der amerikanischen National Ignition Facility (NIF) konnten die Bedingungen für einige Nanosekunden hergestellt und untersucht werden.

Offiziell sollte die NIF lasergetriebene Kernfusion als mögliche Energiequelle untersuchen, aber hauptsächlich dienen ihre Daten dazu, die Prozesse während der Explosion von Atombomben ohne Atombombentests nachzubilden. Die Bedingungen für Kernfusion wurden nie erreicht. Aber auch für andere Experimente ist dort Zeit.

Astrophysik statt Atombombenexperimente

In der NIF komprimieren 192 präzise ausgerichtete Laserstrahlen eine Probe im Inneren eines 9,43 mm hohen Goldzylinders mit 5,75 mm Durchmesser. Dazu schießen die Laserstrahlen für 3 Nanosekunden mit einer Leistung von 300 Terawatt ins Innere des Zylinders. Die Energiemenge entspricht etwa 1 MJ oder rund 250g TNT. Sie verdampft den Goldzylinder und heizt ihn dabei auf 3,5 Millionen Kelvin auf, so dass Wärmestrahlung in Form von weicher Röntgenstrahlung mit durchschnittlich 294 eV (Elektronenvolt) Energie pro Photon frei wird.

Im Inneren des Zylinders befand sich diesmal eine knapp 2 mm große Probe aus einem Kohlenwasserstoff. Sie war umgeben von einer 0,176 mm dicken Schicht aus einem Polymer, das im Experiment dazu dient, die Probe zu komprimieren. Die Übergangsschicht dazwischen enthält dabei etwa 2 Prozent Germanium, das während des Experiments nachweisbar ist. Denn die Probe wird durchgehend mit 9.000 eV Röntgenstrahlung durchleuchtet, die von Germanium absorbiert wird.

Im Experiment wird die äußere Schicht der Probe durch die Wärmestrahlung schlagartig verdampft. Dabei entsteht ein Rückstoß in Richtung Mitte der Kugel. Dieser Rückstoß erzeugt eine Schockwelle in der extrem hohe Drücke entstehen. Die Germaniumschicht dient dabei der Kontrolle. Nur wenn die Schicht mit dem Germanium bleibt, wo sie ist, also die Grenze zwischen der Schockwelle und dem abgestoßenen Material bildet, hat das Experiment wie geplant funktioniert.

Die so erzeugte Schockwelle setzt sich nun symmetrisch bis ins Zentrum der Kugel fort. Sie bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 150 bis 220 Kilometer pro Sekunde fort, womit das ganze Experiment 9 Nanosekunden dauerte. Im Bereich der Schockwelle ist das Material dichter als im Rest der Probe, so dass das Fortschreiten der Schockwelle von außen mit der Röntgenstrahlung beobachtet werden kann. Für einige Nanosekunden waren dabei die Bedingungen im Bereich dieser Schockwelle vergleichbar mit dem Inneren eines weißen Zwergs.