Untersuchung planetarer Eise mit Kompressionsexperimenten

• Antragsteller: Professor Dr. Dominik Kraus
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505630685

Das Innere der Eisriesen Uranus und Neptun besteht zu großen Teilen aus den leichten Elementen Wasserstoff, Helium, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff bei extremen Drücken von mehreren Millionen bar und Temperaturen von mehreren tausend Kelvin. Diese Umgebung ermöglicht die Bildung ungewöhnlicher Strukturen, wie superionische Zustände von Wasser und Ammoniak, und exotischer Chemie, z. B. die Dissoziation von Kohlenwasserstoffen in Diamant und metallischen Wasserstoff. Diese Prozesse sind hochkomplex und lassen sich mit bestehenden Theorie- und Simulationsmethoden bislang nicht zuverlässig modellieren. Gleichzeitig wird angenommen, dass sie die innere Struktur von Uranus und Neptun maßgeblich prägen und der Schlüssel zur Erklärung für deren ungewöhnlichen Magnetfelder und ihrem inneren Wärmehaushalt sein könnten. Gleichzeitig finden sich außerhalb unseres Sonnensystems viele Planeten ähnlicher Größe und vergleichbarer Zusammensetzung, insbesondere sogenannte „Sub-Neptune“. Daher ist ein besseres Verständnis der Materie unter Bedingungen wie im Inneren von Eisriesen sowohl für bessere Modelle unseres Sonnensystems als auch für eine zuverlässige Klassifizierung von Exoplaneten aus Teleskopdaten von Masse und Radius erforderlich. Dazu werden wir Laborexperimente durchführen, um Mischungen aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff (C-H-N-O) unter Bedingungen ähnlich dem Inneren von Eisriesen auf der Erde mit gepulsten Hochenergie-Lasern herzustellen. Diese Zustände werden dann in situ sowohl mit optischer als auch mit Röntgendiagnostik untersucht, um physikalische Eigenschaften wie Zustandsgleichung, Leitfähigkeit, Diffusivität und Viskosität sowie die Kinetik von Phasenübergängen und chemischen Reaktionen zu charakterisieren. Das vorgeschlagene Projekt wird zwei sehr erfolgreiche Forscher auf diesem Gebiet zusammenführen: Alessandra Ravasio (A.R.) hat Pionierarbeit zu flüssigen Probenumgebungen für Hochenergie-Laseranlagen geleistet, um die stöchiometrische Zusammensetzung der Eisriesen realistisch nachzubilden. Dominik Kraus (D.K.) hat mehrere In-situ-Röntgentechniken (Röntgenbeugung, spektral aufgelöste Röntgenstreuung und Kleinwinkel-Röntgenstreuung) an Röntgen-Freie-Elektronen-Lasern kombiniert, um chemische Reaktionen in dynamischen Kompressionsexperimente, die das Innere von Planeten nachahmen, zu charakterisieren. Das vorgeschlagene Projekt wird modernste optische und Röntgenlaseranlagen nutzen, um ein umfassendes Verständnis der Materie im Inneren der Eisriesen zu erlangen. Die erhaltenen Daten werden im Rahmen einer von den PIs unterhaltenen internationalen Kollaboration diskutiert, zu der Experten für Molekulardynamik und Planetenmodelle gehören. Dies wird Leitlinien für nachfolgende Projektphasen liefern und als Endergebnis ein spürbar verbessertes Verständnis einer großen Zahl astronomischer Objekte bringen: von Eis-Monden bis hin zu den Eisriesen Uranus und Neptun sowie eine Vielzahl vergleichbarer Exoplaneten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartnerinnen: Dr. Mandy Bethkenhagen; Dr. Alessandra Ravasio