"98 Prozent der Materie liegt in extremen Zuständen vor"

"98 Prozent der sichtbaren Materie im Universum liegt in extremen Zuständen vor", sagte Vladimir Fortov am Dienstag bei einem öffentlichen Vortrag in Wien, der von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und des International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA) veranstaltet wurde. Das Wissen über das Verhalten von Materie unter extremen Bedingungen ist noch relativ begrenzt, auch weil die Bedingungen nicht einfach herzustellen sind. Fortov hat seine Karriere der Schließung einiger Wissenslücken auf diesem Gebiet gewidmet. Vor allem das Verhalten von Plasma unter Einwirkung starker Schockwellen hat er in den vergangenen Jahren untersucht. "Druck und Temperatur haben einen sehr breiten Parameterraum im Universum, man denke etwa an Sonnen und Schwarze Löcher", sagte Fortov. Die Ergebnisse solcher Forschungsarbeit sind für verschiedenste Gebiete relevant, von der Atomenergie über Materialwissenschaft bis zu Kernfusion und Astrophysik.

Im Labor werden verschiedenste Methoden eingesetzt, um Materie unter Druck zu setzen. Die einfachste ist das mechanische Pressen, Hier sind die Maximaldrücke aber auf wenige Megabar geschränkt, dafür können die Zustände lange aufrechterhalten werden. Fortov arbeitet allerdings auch mit weitaus höheren Drücken, die nur mit Schockwellen erzeugt werden können. Hier sind bis zu vier Gigabar möglich, die Kompression dauert dann aber nur sehr kurz: "Wir arbeiten im Bereich zwischen 10⁻⁶ und 10⁻⁹ Sekunden", sagt Fortov. Die Schockwellen für die Experimente können dabei auf verschiedene Weise erzeugt werden. Von Sprengstoff über starke Magnetfelder bis zu Hochenergie-Lasern und Atombomben. In Teilchenbeschleunigern wie dem CERN werden auf nuklearer Ebene ebenfalls solchen extremen Zustände erzeugt. Heute können in kleinen Plasma-Proben für kurze Zeit heute schon Bedingungen erzeugt werden, wie sie kurz nach dem Urknall zu finden waren.

Vereinfachte Materie

Unter solchen Extrembedingungen verhält sich Materie ganz anders, als wir es aus unseren Alltagserfahrungen gewohnt sind. "Die Atomkerne und Elektronen sind so zusammengedrückt, dass die Elektronen diffundieren können. Das ergibt andere Physik. Unter hohem Druck gibt es kein Periodensystem. Materie wird dann einheitlich", sagt Fortov. Mit steigendem Druck kann es auch zu sprunghaften Änderungen der Materialeigenschaften kommen. Wird Wasserstoff komprimiert, steigt an einer bestimmten Schwelle die Leitfähigkeit stark an. Hier spricht man von einem Plasmaphasenübergang. Diese Erkenntnis war auch hilfreich bei der Erstellung von Modellen zur Zusammensetzung von Jupiter und anderen Gasriesen. In Jupiters Innerem ist der Druck so hoch, dass er einen festen Kern aus metallischem Wasserstoff verfügt.

"Bei den Planeten wissen wir mittlerweile recht gut, wie sie aufgebaut sind. Die Sonne gibt uns die Chance, sogar noch höhere Drücke zu beobachten. Sonnenweite Vibrationen erlauben uns Rückschlüsse auf die Eigenschaften von Plasma unter einem Gigabar Druck", sagt Fortov. Solche Erkenntnisse sind auch wichtig, um Modelle für das Verhalten von Supernovae aufzustellen. "Wir haben ein Modell erstellt, um die Erzeugung von schweren Elementen in Supernovae zu erklären", sagt Fortov. In Teilchenbeschleunigern werden auch die kleinsten Bausteine der Materie mit extremen Kollisionen untersucht. Beim Zusammenstoß von schweren Ionen entsteht so ein Quark-Gluonen-Plasma. "Das hat unser Verständnis davon, woraus Materie besteht, bereichert", sagt Fortov. Am Ende steht die Forschung auf diesem Gebiet aber noch lange nicht. "Es gibt noch viel zu erforschen", sagt Fortov.