Aktueller Kenntnisstand zum Verhalten von Wasserstoff und Helium unter extremen Bedingungen zusammengefasst

Im Inneren von Planeten kommt Materie unter extremen Bedingungen von Druck und Temperatur vor. Im Zentrum der Erde wird z.B. ein Druck von etwa 3,6 Millionen Atmosphären und eine Temperatur von etwa 6000 Kelvin vorher gesagt. Das verhalten von Eisen und seiner Verbindungen unter den Bedingungen im Erdkern ist Gegenstand intensiver Forschung. "Wie verläuft die Schmelzdruckkurve?" und "Wie groß sind die elektrische und Wärmeleitfähigkeit?" sind dabei wichtige Fragestellungen. Solche Probleme werden auch in der DFG-Forschungsgruppe FOR 2440 "Matter under planetary interior conditions" (Bayreuth, Berlin, Hamburg, Münster, Rostock) untersucht, deren Sprecher Prof. Ronald Redmer vom Institut für Physik ist.

Nun haben Ravit Helled von der Universität Zürich, Guglielmo Mazzola von IBM Zürich-Rüschlikon und Ronald Redmer vom Institut für Physik den aktuellen Kenntnisstand für das Verhalten von Wasserstoff und Helium unter extremen Bedingungen in einem Review-Artikel zusammengefasst, der in Nature Reviews Physics erschienen ist, siehe https://doi.org/10.1038/s42254-020-0223-3. Wasserstoff und Helium machen etwa 98% der Masse in den großen Planeten Jupiter und Saturn im Sonnensystem aus. In ihrem Inneren herrschen durch ihre enorme Größe noch viel extremere Bedingungen von Druck und Temperatur als in der Erde. Die Eigenschaften von Wasserstoff-Helium-Gemischen werden aber benötigt, um die Entstehung dieser Planeten, ihren inneren Aufbau, ihre Entwicklung und ihr Magnetfeld zu verstehen. Dazu wurden auch die NASA-Sonden "Cassini" zum Saturn und "Juno" zum Jupiter geschickt, die wertvolle Daten gesammelt haben und einen neuen Einblick in deren Aufbau erlauben. In den letzten Jahren wurden parallel dazu enorme Fortschritte durch Experimente in der Hochdruckphysik sowie First-Principles-Simulationen erreicht, die in dem Artikel zusammengefasst werden.

Einige fundamentale Probleme sind aber noch immer nicht völlig verstanden. Unter welchen Bedingungen wird Wasserstoff zu einem Metall? Dazu gehen die experimentellen und theoretischen Vorhersagen noch jeweils auseinander. In welchem Druck-Temperatur-Bereich entmischt Helium von Wasserstoff und führt zu "Helium-Regen", der im Inneren von von Saturn auftreten müsste? Diese und weitere offene Fragen sind Gegenstand intensiver Forschungen, die in den nächsten Jahren zu verbesserten Modellen für die Großen Planeten führen werden. Dazu werden auch Mitarbeiter des Instituts mit neuen Experimenten und theoretischen Modellen beitragen.