Astrofysik i laboratoriet

Snart kan forskerne lave laboratorieforsøg af, hvordan plasmaer opfører sig på atomart plan i stjernernes indre og direkte studere varmt kondenseret stof med temperaturer på 10.000 grader, som findes inde i kæmpeplaneter.

Hamborg
Astronomer og astrofysikere har akkumuleret en enorm viden om stjerner. De kan beregne deres masser ud fra lysstyrken og bestemme deres sammensætning af grundstoffer ud fra det spektrum af lys, stjernerne udsender. Ved at anvende de fysiske love har astrofysikere lavet modeller af stjerners indre opbygning og dynamik, og modellerne er på den mest imponerende måde blevet bekræftet af helioseismologiske observationer af Solen. Stjernemodellerne kan forudsige, hvordan de forskellige klasser af stjerner fødes, udvikler sig og dør, og de er i stand til at beskrive enhver stjerne på ethvert trin i dens livsforløb hele vejen ud gennem galaksen.

Alligevel er der ting, som astrofysikerne ikke ved med sikkerhed, og en vigtig parameter, der er svært at få hold på, er stjerners gennemsigtighed over for stråling. Fusionskraftværket i hjertet af stjerner udsender en masse stråling, men hvor meget af strålingen og hvilke bølgelængder absorberes af plasmaer dybt inde i stjernen? Hvor repræsentativt er det lys, som trænger helt ud til overfladen, hvor astronomerne kan detektere det?

For at bestemme stjerners gennemsigtighed vil eksperimentalfysikere nu måle gennemsigtigheden af plasmaer, som udgør hovedparten af stjernernes masse. Naturligvis vil de få aldrig fat på en prøve fra Solen eller sende en målesonde ind dens glohede inferno. Så fysikerne vil producere plasmaer i laboratoriet og måle deres gennemsigtighed der. Målingerne skal være i kassen på femtosekunder, før plasmaerne henfalder. Et femtosekund er en milliontedel af en milliarddel sekund.

Indtil nu har dens slags forsøg været uden for rækkevidde, men om få år vil en ny type acceleratorer, fri-elektron røntgenlasere, kunne klare jobbet.

»Hvis det lykkes os at måle gennemsigtigheden af plasmaer, vil det være et vigtigt input til stjernemodellerne,« siger Thomas Tschentscher fra Deutches Elektronen-Synchroton (Desy) i Hamborg.

Et andet eftertragtet mål er at frembringe og studere varmt kondenseret stof - en næsten ukendt stoftilstand - som hverken er et plasma eller et fast stof, men noget midt i mellem. Det varme tætte stof har en massetæthed som almindelige faste stoffer, men temperaturer på omkring 10.000 grader, som er typiske for plasmaer. Varmt tæt stof findes dybt inde i store gasplaneter som Jupiter, hvor det holdes sammen af det enorme indre tryk, samt i små kølige stjerner, som kaldes brune dværge.

På Jordens overflade vil varmt kondenseret stof øjeblikkeligt udvide sig termisk og blive omdannet til et plasma. Alligevel kan femtosekundpulserne fra de nye røntgenlasere gøre det muligt at frembringe det varme tætte stof og undersøge det på atomart plan - inden prøven eksploderer blot et pikosekund senere.

Røntgenstråling er løsningen

Snart kan forskerne lave laboratorieforsøg af, hvordan plasmaer opfører sig på atomart plan i stjernernes indre og direkte studere varmt kondenseret stof med temperaturer på 10.000 grader, som findes inde i kæmpeplaneter.

I de senere år er fysikere så småt begyndt at studere plasmaer på atomart niveau. Korte og kraftige pulser fra optiske lasere er blevet brugt til at opvarme metaller og omdanne dem til plasmaer. Men optiske lasere er ikke ideelle til jobbet, fordi deres langbølgede stråler reflekteres fra plasmaer, hvorfor der kun dannes plasma på overfladen af prøven og ikke hele vejen igennem. Optiske lasere kan også inducere chok-bølger, som komprimerer prøvens indre. I begge tilfælde er massetætheden i prøven uensartet, og det gør det svært at tolke forsøgsresultaterne.

Den ideelle forsøgsmetode er at bruge røntgen til at fremstille plasmaer, fordi røntgenstråler, der har meget mindre bølgelængder, kan trænge gennem plasmaer og overføre deres energi til hele prøven, som vil blive forvandlet til et ensartet plasma. Plasmatilstanden eksisterer kun i et ultrakort øjeblik, og derfor skal den næste røntgenpuls lyne inden for femtosekunder for at optage et atomart snapshot af plasmaet, før det henfalder.

Det opnår fysikerne ved at splitte en røntgenpuls fra en fri-elektron røntgenlaser og forsinke en af laserstrålerne ved at sende den ud på en længere rute. Den første puls skaber plasmaet, den næste undersøger det. I 2007 vil de første forsøg blive udført med blød røntgen på pilotfaciliteten FLASH i Hamborg, og senere vil tilsvarende systemer komme i drift på LCLS Californien og XFEL i Hamborg, som udsender femtosekund pulser af hård røntgen.

»Det vil sætte os i stand til at undersøge på atomart plan, hvordan plasmaer dannes, op­fører sig og henfalder,« siger Thomas Tschentscher.

Eksperimenterne vil også gøre det muligt at undersøge plasmaers fundamentale egenskaber inklusive deres gennemsigtighed. Plasmaer med forskellige temperaturer og densiteter - som findes inde i en stjerne - kan produceres, og gennemsigtigheden over for stråling med forskellige bølgelængder kan kortlægges.

Varmt tæt stof i planeter

Snart kan forskerne lave laboratorieforsøg af, hvordan plasmaer opfører sig på atomart plan i stjernernes indre og direkte studere varmt kondenseret stof med temperaturer på 10.000 grader, som findes inde i kæmpeplaneter.

Modeller af planeter forudsiger, at varmt kondenseret stof udgør en betydelig del af massen i solsystemets fire store gasplaneter samt i de ca. 200 kæmpemæssige planeter, som astronomerne indtil videre har opdaget uden for solsystemet. Derfor spiller varmt tæt stof en central rolle for gasgiganternes udvikling.

Varmt tæt stof eksisterer ved temperaturer på omkring 10.000 grader, og densiteten spænder fra massetætheden i væsker til massetætheder, der er højere end i faste stoffer. Det varme tætte stof kan betragtes som en overgangsform mellem plasmaer og fast stof, der holdes sammen af enorme tryk.

»Der er kun få teorier, som beskriver varmt kondenseret stof, og ingen af dem dækker hele det temperatur-densitets område, hvor denne form for stof kan eksistere,« siger Thomas Tschentscher.

Modellerne kommer dog med én interessant forudsigelse, og det er, at varmt tæt stof kan fremstilles og undersøges eksperimentelt. Metoden går ud på at beskyde en metalprøve med femtosekund røntgenpuls, som opvarmer prøven til flere tusinde grader. Elektronerne bliver øjeblikkeligt revet løs fra atomkernerne og flyver væk. Men der går et pikosekund, før ionerne selv har fattet pointen og begynder at udvide sig termisk.

»Det vil give os rum til at måle på det varme tætte stof med endnu et femtosekund røntgenglimt, før prøven eksploderer,« siger Thomas Tschentscher.

»Ved at bruge røntgenpulser med forskellige bølgelængder vil vi kunne producere og kortlægge hele det temperatur-densitets område, hvor varmt tæt stof kan findes.«

Indtil videre er der kun få forskergrupper på verdensplan, som arbejder på at supplere astronomiens og astrofysikkens klassiske værktøjer - observation og modellering - med forsøg i laboratoriet. Men eksperimentel astrofysik er højt prioriteret på den videnskabelige dagsorden ved de nye fri-elektron røntgenlaserne i både Europa og USA.

Der er næppe tvivl om, at astrofysikernes interesse for det nye vindue til stjernernes og planeternes indre vil blive tændt for alvor, hvis det lykkes for eksperimentalfysikerne at bestemme gennemsigtigheden af plasmaer og vise de skjulte egenskaber af det stort set ukendte varme tætte stof.

»Varmt kondenseret stof eksisterer måske endda i Jordens kerne. Vi ved det ikke, men muligheden diskuteres,« siger Thomas Tschentscher.