I hjärtat av planeter, extrema tillstånd finns:temperaturer på tusentals grader, tryck en miljon gånger högre än atmosfärstrycket. De kan därför endast utforskas direkt i begränsad omfattning – vilket är anledningen till att expertgemenskapen försöker använda sofistikerade experiment för att återskapa likvärdiga extrema förhållanden. Ett internationellt forskargrupp inklusive Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har anpassat en etablerad mätmetod till dessa extrema förhållanden och testat den framgångsrikt:Med hjälp av ljusblixtarna i världens starkaste röntgenlaser lyckades teamet titta närmare på vid det viktiga elementet, kol, tillsammans med dess kemiska egenskaper. Som rapporterats i tidningen Plasmas fysik , metoden har nu potential att leverera nya insikter om planeternas inre både inom och utanför vårt solsystem.

Värmen är ofattbar, trycket enormt:Förhållandena i det inre av Jupiter eller Saturnus säkerställer att det material som finns där uppvisar ett ovanligt tillstånd:det är tätt som en metall men, på samma gång, elektriskt laddade som ett plasma. "Vi hänvisar till detta tillstånd som varm tät materia, " förklarar Dominik Kraus, fysiker vid HZDR och professor vid universitetet i Rostock. "Det är ett övergångstillstånd mellan fast tillstånd och plasma som finns i planeternas inre, även om det kan inträffa kortvarigt på jorden, för, till exempel under meteornedslag." Att undersöka detta materiatillstånd i detalj i labbet är en komplicerad process som involverar, till exempel, avfyrar starka laserblixtar mot ett prov, och, för ett ögonblick, värma och kondensera den.

Men hur är de kemiska egenskaperna hos denna varma täta materia egentligen? Tills nu, befintliga metoder har bara gett otillfredsställande svar på denna fråga. Så, ett team från sex länder kom på något nytt, baserad på den starkaste röntgenlasern i världen, den europeiska XFEL i Hamburg. I en kilometer lång gaspedal, extremt kort, intensiva röntgenpulser genereras. "Vi riktade pulserna mot tunna kolfolier, " säger huvudförfattaren Katja Voigt från HZDR:s Institute of Radiation Physics. "De var gjorda av grafit eller diamanter." I folierna, en liten del av röntgenblixtarna är spridda på elektroner och deras närmaste miljö. Det avgörande är att de spridda blixtarna kan avslöja vilken typ av kemisk bindning kolatomerna har bildats med sin omgivning.

Efter tvivel kom överraskningen Känd som röntgen-Raman-spridning, forskare inom områden som materialvetenskap har använt denna metod ett bra tag. Men för första gången, teamet runt Voigt och Kraus har lyckats utrusta den för experiment för att undersöka varm tät materia. "Vissa experter var tveksamma till om det kunde fungera, " förklarar Kraus. Detektorerna, särskilt, som måste fånga de röntgensignaler som sänds ut av kolfolierna, måste vara både mycket effektiva och högupplösta – en stor teknisk utmaning. Men analysen av mätdata visade tydligt vilka bindningstillstånd kolet hade gått in i. "Vi blev lite förvånade över att det fungerade så bra, säger Voigt, uppenbarligen nöjd. Om de skulle tillämpa metoden på att värma tätt material, dock, något saknades fortfarande – starka laserblixtar som skulle driva kolfolierna till höga tryck och temperaturer på upp till flera 100, 000 grader. För det här syftet, Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) som nyligen invigdes i HZDR:s regi vid den europeiska XFEL spelar in. Det är en av de mest moderna forskningsanläggningarna i världen med högpresterande lasrar som skulle kunna utföra de första röntgen-Raman-experimenten på några månader. "Jag är verkligen optimistisk att det kommer att fungera, säger Dominik Kraus.

Kometkrasch i labbet Metoden skulle mycket väl kunna underlätta många olika vetenskapliga insikter:för en sak, det är oklart hur många ljuselement som kol eller kisel som finns i jordens kärna. Laboratorieförsök skulle kunna ge viktiga indikatorer. "Den nya metoden är inte begränsad till kol, men kan appliceras på andra lätta element, " förklarar Katja Voigt. En annan fråga som ska undersökas gäller det inre av så kallade gasjättar som Jupiter och isjättar som Neptunus. Här, komplexa kemiska reaktioner kommer att inträffa – som de kommer att ske i avlägsna exoplaneter av liknande storlek. Det borde vara möjligt att återskapa dessa processer i labbet med röntgen-ramanmetoden. "Kanske kan det vara möjligt att lösa pusslet om vilka reaktioner som är ansvariga för att planeter som Neptunus och Saturnus avger mer energi än de egentligen borde, " hoppas Kraus.

Dessutom, den här nya metoden borde göra det möjligt för forskare att simulera kometkrascher i miniatyrskala:Om kometer verkligen transporterade organiskt material till jorden en gång i tiden – kan kraschen ha utlöst kemiska reaktioner som gynnade livets utveckling? Och metoden har till och med potential för tekniska tillämpningar:I princip, det verkar möjligt att, under extrema förhållanden, nya material kan bildas som kan uppvisa fascinerande egenskaper. Ett exempel skulle vara en supraledare som fungerar vid rumstemperatur och som inte behöver komplicerad kylning som befintliga material. En rumstemperatur supraledare av detta slag skulle vara av stort tekniskt intresse eftersom den skulle kunna leda elektricitet helt förlustfritt utan att behöva kyla den med flytande kväve eller flytande helium.