Forscher, die die kältesten Plasmen im Universum herstellen, haben gerade einen Weg gefunden, sie noch kälter zu machen - indem sie sie mit Lasern gestrahlt haben.
Die Wissenschaftler kühlten das Plasma auf etwa 50 Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab, etwa 50 Mal kälter als im Weltraum.
Dieses kühle Plasma könnte zeigen, wie sich ähnliche Plasmen in den Zentren weißer Zwergsterne und tief im Kern von Gasplaneten wie unserem kosmischen Nachbarn Jupiter verhalten, berichteten Forscher in einer neuen Studie.
Plasma ist eine Art von Gas, aber es ist unterschiedlich genug, um als einer der vier Grundzustände der Materie (neben Gas, Flüssigkeit und Feststoff) erkannt zu werden. Im Plasma wurde eine signifikante Anzahl von Elektronen von ihren Atomen getrennt, wodurch ein Zustand erzeugt wurde, in dem freie Elektronen um Ionen oder Atome mit positiver oder negativer Ladung zippen.
Die Temperaturen in natürlich vorkommendem Plasma sind typischerweise sehr hoch; Beispielsweise brodelt Plasma auf der Sonnenoberfläche bei 6.000 Grad Celsius. Durch die Abkühlung des Plasmas können Wissenschaftler detailliertere Beobachtungen machen, um sein Verhalten unter extremen Bedingungen, wie sie unsere Nachbarn von Gasriesen heimsuchen, besser zu verstehen.
Sei entspannter
Warum also Laser verwenden, um das Plasma abzukühlen?
"Die Laserkühlung nutzt die Tatsache, dass Licht einen Impuls hat", sagte der leitende Studienautor Thomas Killian, Professor für Physik und Astronomie an der Rice University in Texas, gegenüber Live Science. "Wenn ich ein Ion im Plasma habe und ein Laserstrahl Licht von diesem Ion streut, wird jedes Mal, wenn dieses Ion ein Photon streut, ein Druck in Richtung des Laserstrahls ausgeführt", sagte Killian.
Dies bedeutet, dass ein Laserstrahl, wenn er sich der natürlichen Bewegung des Ions widersetzt, jedes Mal, wenn das Ion Licht streut, etwas an Schwung verliert, was es verlangsamt.
"Es ist wie bergauf oder in Melasse", sagte er.
Für ihre Experimente produzierten Killian und seine Kollegen kleine Mengen neutralen Plasmas - Plasma mit einer relativ gleichen Anzahl positiver und negativer Ladungen - verdampften Strontiummetall und ionisierten dann die Wolke. Das Plasma löste sich in weniger als 100 Millionstel Sekunden auf, so dass die Wissenschaftler nicht viel Zeit hatten, es abzukühlen, bevor es verschwand. Damit die Laserkühlung funktioniert, musste das Plasma vorgekühlt werden, wodurch die Ionen noch langsamer wurden. Am Ende war das resultierende Plasma etwa viermal kälter als jedes zuvor erzeugte, berichteten die Autoren der Studie.
Das Zusammenbauen der Teile, die zur Erzeugung von hochgekühltem Plasma benötigt wurden, dauerte ungefähr 20 Jahre, obwohl die Experimente selbst weniger als einen Bruchteil einer Sekunde dauerten - und es wurden Tausende und Abertausende von Experimenten durchgeführt, sagte Killian.
"Wenn wir ein Plasma erzeugen, lebt es nur ein paar hundert Mikrosekunden. Jedes" Plasma herstellen, laserkühlen, schauen und sehen, was passiert ist "dauert weniger als eine Millisekunde", sagte er. "Es dauert Tage und Tage, um tatsächlich genug Daten aufzubauen, um zu sagen: 'Ah, so verhält sich das Plasma.'"
Kälter werden
Die Ergebnisse der Studie werfen viele Fragen auf, wie ultrakaltes Plasma mit Energie und Materie interagieren kann. Das Finden von Antworten könnte dazu beitragen, genauere Modelle von weißen Zwergsternen und Gasriesenplaneten zu erstellen, deren Inneres Plasma enthält, das sich ähnlich wie das im Labor gekühlte Plasma verhält.
"Wir brauchen bessere Modelle dieser Systeme, damit wir die Planetenbildung verstehen können", sagte Killian. "Dies ist das erste Mal, dass wir ein Tabletop-Experiment durchführen, bei dem wir tatsächlich Dinge messen können, die in diese Modelle einfließen."
Die Erzeugung von noch kälterem Plasma könnte ebenfalls in Reichweite sein, was das Verständnis der Wissenschaftler für das Verhalten dieser mysteriösen Form von Materie weiter verändern könnte, sagte Killian gegenüber Live Science.
"Wenn wir es um eine weitere Größenordnung abkühlen können, können wir Vorhersagen nahe kommen, wo das Plasma tatsächlich fest werden kann - aber ein bizarrer Feststoff, der zehnmal weniger dicht ist als jeder Feststoff, den Menschen jemals hergestellt haben", sagte Killian.
"Das wäre sehr, sehr aufregend", fügte er hinzu.
Die Ergebnisse wurden am Donnerstag (3. Januar) online in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
Anmerkung des Herausgebers: Diese Geschichte wurde aktualisiert, um die Temperatur der Sonnenoberfläche von 2 Millionen Grad Celsius (3,5 Millionen Grad Fahrenheit) zu korrigieren, was das heißere Innere des Sterns darstellt.
Originalartikel über Live Science.
