Plasma screening of atomic energy levels to ten billion atmospheres

Tief im Inneren der Herzen von Sternen, wo die Gravitation Materie mit einer Kraft zerquetscht, die Milliarden Male stärker ist als der Luftdruck auf Meereshöhe, ändern sich die Regeln des Atoms. Unter normalen Bedingungen ist ein Atom eine stabile, unveränderliche Struktur: ein dichter Kern, um den sich Elektronen auf festen Bahnen bewegen, ähnlich wie Planeten um eine Sonne. Wir kennen diese Bahnen und ihre Energieniveaus seit einem Jahrhundert, und sie bilden die Grundlage unseres Verständnisses von Licht und Materie. Doch in den extremen Umgebungen, die in den Kernen von Sternen oder in den letzten Momenten einer Fusionsexplosion herrschen, wird der Druck so intensiv, dass der Raum zwischen den Atomen verschwindet. Die freien Elektronen, die in dem heißen Gas schweben, werden so dicht zusammengedrängt, dass sie gezwungen werden, in die eigenen Orbitale des Atoms einzudringen. Dies drängt den Kern zusammen und verändert die Energie, die erforderlich ist, damit Elektronen zwischen den Niveaus springen, was effektiv den internen Bauplan des Atoms umschreibt. Zu verstehen, wie genau dies geschieht, ist entscheidend für die Modellierung der Frage, wie Sterne brennen und wie wir eines Tages die Fusionsenergie auf der Erde nutzen können; doch über Jahrzehnte hinweg fehlten Wissenschaftlern direkte Messungen dieser Veränderungen unter solch erdrückendem Druck.

Ein Forschungsteam hat nun diese Lücke geschlossen, indem es eine winzige, flüchtige Version eines Sternenkerns im Labor erschaffen und gemessen hat, wie sich die darin befindlichen Atome verhalten. In Zusammenarbeit mit der University of Rochester und dem Lawrence Livermore National Laboratory nutzte das Team leistungsstarke Laser, um eine mikroskopisch kleine Kapsel zu implodieren, wobei eine dünne Schicht aus Chrommetall auf einen Druck von zehn Milliarden Atmosphären komprimiert wurde. Dies ist ein Zustand der Materie, in dem der Druck einen Petapascal erreicht – eine Bedingung, die nur in den tiefsten Inneren von Sternen oder in den gewaltigsten Momenten einer Fusionsimplosion vorkommt. Indem sie dieses komprimierte Chrom mit Röntgenstrahlen bestrahlten und beobachteten, wie die Atome das Licht absorbierten, konnten die Wissenschaftler die Verschiebung der Energieniveaus der Elektronen kartieren. Sie fanden heraus, dass der intensive Druck des umgebenden Plasmas freie Elektronen tief in den Kern des Atoms drückte, die positive Ladung des Kerns abschirmte und die Energieunterschiede beim Sprung der Elektronen um einen signifikanten Betrag – etwa 20 Elektronenvolt – verschob. Diese Verschiebung ist ein direktes Signal dafür, dass die Plasmaelektronen sich ihren Weg in den persönlichen Raum des Atoms bahnen und die Natur der gebundenen Elektronen verändern.

Das Experiment beruhte auf einer sphärischen Kapsel, etwa so breit wie ein menschliches Haar, die mit Deuteriumgas gefüllt und mit einer Spur Krypton dotiert war. Im Inneren der Kapsel befand sich eine dünne Kunststoffhülle, die eine verborgene Schicht aus Chrom und Nickel enthielt. Als das Team einen massiven Laserenergie-Stoß auf die Kapsel feuerte, wurde die äußere Hülle mit unglaublicher Geschwindigkeit nach innen getrieben, wodurch das Gas im Inneren auf Temperaturen von über einer Million Grad komprimiert wurde. Dieser heiße, dichte Kern emittierte einen brillanten Röntgenstrahl, der nach außen drang und die Chromschicht passierte, genau in dem Moment, als eine Schockwelle von der implodierenden Hülle auf sie traf. Die Forscher nutzten eine spezialisierte Kamera, um die Röntgenstrahlen einzufangen, die das Chrom passierten, und so eine zeitaufgelöste Aufnahme davon zu erstellen, wie die Atome das Licht absorbierten. Bevor die Schockwelle eintraf, waren die Chromatome relativ ruhig, mit ihren Elektronen in Standardpositionen. Doch als die Schockwelle die Schicht komprimierte, wurden die Atome extremer Hitze und extremem Druck ausgesetzt, und das Muster des absorbierten Lichts änderte sich dramatisch.

Die entscheidende Entdeckung war eine messbare Verschiebung der Energie des von den Chromatomen absorbierten Lichts. In einer ruhigen Umgebung mit niedrigem Druck springen Elektronen zwischen spezifischen Energieniveaus bei präzisen Frequenzen. In diesem Experiment beobachteten die Forscher, dass sich diese Frequenzen verschoben hatten, was darauf hindeutete, dass die Energieniveaus selbst nach unten gedrückt worden waren. Diese Verschiebung wurde durch den „Abschirmungseffekt“ verursacht, bei dem die See aus freien Elektronen im umgebenden Plasma in die Chromatome eindrang und die Anziehungskraft des Kerns teilweise blockierte. Das Team berechnete, dass zum Zeitpunkt der maximalen Kompression eine Ladung, die etwa 17 Prozent eines einzelnen Elektrons entspricht, in das äußere Orbital des Chromatoms hineingepresst wurde, während ein winziger Bruchteil sogar das innerste Schalenniveau durchdrang. Diese Detailtiefe liefert die ersten direkten Randbedingungen dafür, wie sich Atome verhalten, wenn sie Drücken ausgesetzt sind, die weit über das hinausgehen, was wir auf der Erde erleben.

Diese Ergebnisse offenbarten auch einen Mangel in den aktuellen Computermodellen, die Wissenschaftler verwenden, um vorherzusagen, wie sich Materie unter solchen extremen Bedingungen verhält. Die Forscher testeten ihre Daten gegen Simulationen basierend auf der Dichtefunktionaltheorie, einer Standardmethode zur Berechnung der Eigenschaften von Atomen in dichten Umgebungen. Während die Modelle das durchschnittliche Verhalten der Atome vorhersagen konnten, gelang es ihnen nicht, die volle Bandbreite der verschiedenen Ionisationszustände zu erfassen, die das Experiment beobachtete. Die Simulationen neigten dazu, zu einem einzigen, durchschnittlichen Zustand zu konvergieren, und übersahen dabei das dynamische Gemisch aus angeregten und ionisierten Atomen, das tatsächlich im Plasma existierte. Dies deutet darauf-hin, dass aktuelle theoretische Werkzeuge verfeinert werden müssen, um die schnellen, fluktuierenden Änderungen der Elektronenverteilung zu berücksichtigen, die auf der Femtosekunden-Zeitskala auftreten. Die experimentellen Daten dienen nun als wichtiger Referenzwert, der eine reale Überprüfung bietet, anhand derer diese komplexen Theorien getestet und verbessert werden können.

Die Auswirkungen dieser Arbeit reichen über das Labor hinaus. Genaue Modelle darüber, wie Atome auf extremen Druck reagieren, sind entscheidend für das Verständnis der Zustandsgleichung – der Beziehung zwischen Druck, Temperatur und Dichte – die die Struktur von Sternen und das Verhalten von Fusionsbrennstoff regelt. Oh perfekte Daten darüber, wie die Plasma-Abschirmung die atomaren Energieniveaus verändert, bleiben unsere Modelle der Sterneninneren und der Trägheitsfusion unvollständig. Durch die Bereitstellung der ersten Messungen dieser Verschiebungen bei Drücken von zehn Milliarden Atmosphären bietet die Studie eine neue Grundlage für die Verfeinerung der Physik, die die extremsten Umgebungen im Universum beschreibt. Die Ergebnisse bestätigen, dass das Atom bei diesen Dichten keine isolierte Entität mehr ist, sondern tief in seine Umgebung integriert ist, deren interne Struktur durch das erdrückende Gewicht des umgebenden Plasmas grundlegend umgestaltet wird.