Was ist die dichteste Materieform?

Materie besteht aus Teilchen. Diese Teilchen kann man zusammenpressen, so dass in einem Volumen mehr Teilchen Platz haben. Dabei erhöht sich die Dichte im gepressten Material, also die Masse pro Volumen. Die Dichte wird in Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m³; SI-Einheiten) oder in Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm³; cgs-Einheiten) angegeben. Heute soll es darum gehen, wie groß die Materiedichte eigentlich werden kann.  

Typische irdische Verhältnisse
Ein gewöhnliches Stück irdischer Materie hat bei Raumtemperatur Dichten zwischen  0,001 g/cm³ (Luft), 1 g/cm³ (Wasser) und 19,3 g/cm³ (Gold). Möchte man einen Goldbarren mit dem Volumen von einem Liter (1 dm³) aufwiegen, müsste man dies mit fast genau 20 Milchbeuteln tun.

[BILD: Gold gehört zu den dichtesten irdischen Materialien. Um einen Goldbarren aufzuwiegen braucht es schon 20 Milchbeutel. Quelle: A. Müller]

Dichtes Material eignet sich vorzüglich, um energiereiche, schädliche Strahlung abzuschirmen. Neulich mal beim Arzt geröntgt worden? Dann kam sicherlich Blei zum Einsatz. Um Röntgenstrahlung an Körperstellen abzuschirmen, wo sie nicht hinkommen soll, verwendet man z.B. Bleischürzen. Blei hat eine Dichte von 11,3 g/cm³, also weniger als Gold. Gold wäre aufgrund seiner noch höheren Dichte weitaus effizienter - aber das gibt's nur für Privatpatienten und Ölscheichs.  

Noch dichter geht's nur im Weltall
Das Weltall ist derjenige Ort, wo wir das beste Vakuum antreffen - besser als man es jemals auf der Erde, z.B. mit Vakuumpumpen herstellen könnte. Die mittlere Dichte da draußen beträgt nur ein Proton pro Kubikmeter oder 5 x 10^-30 g/cm³.
Paradoxerweise ist das Weltall auch der Ort, wo wir die dichtesten Orte antreffen können. Aber wie erzeugt man diese hohen Dichten? Und gibt es eigentlich eine natürliche Grenze, eine maximale Dichte?  

Der Gravitationskollaps von Sternen
Sterne sind rotierende Gasbälle, deren Inneres kocht und so heiß ist, dass dabei über die Verschmelzung von Atomkernen elektromagnetische Strahlung entsteht. Sterne stehen dabei in einem Gleichgewicht aus Kräften, die den Stern größer machen wollen (Gasdruck, Rotation, Strahlungsdruck) und solche, die in verkleinern wollen (Gravitation). Bei der Sonne hält dieses Gleichgewicht schon ein paar Milliarden Jahre an. Das geht aber nicht ewig so weiter.
Die Fusionsreaktionen kommen nämlich irgendwann zum Erliegen: Entweder weil der Stern nicht mehr die notwendige Zündtemperatur zum Starten der nächsten Fusionskette erreicht oder weil der Stern einen Eisenkern ausgebildet hat und nun die Fusionskette aus kernphysikalischen Gründen aufhört. Weil nun die Gravitation die Oberhand gewinnt, wird der Sternkern zusammengedrückt und seine Dichte nimmt stark zu.  

Das Schicksal unserer Sonne
Unsere Sonne hat aktuell eine mittlere Gasdichte von nur 1,4 g/cm³. Das ist nur wenig mehr als die Dichte von irdischem, flüssigem Wasser. (Übrigens der Gasplanet Saturn hat eine so geringe Dichte, 0,7 g/cm³, dass er sogar in flüssigem Wasser schwimmen würde.) Diese mittlere Dichte der Sonne kann um einen Faktor von einer Million gesteigert werden. Das geschieht am Ende der Sternentwicklung, wenn sich der Sonnenkern in einen Weißen Zwergstern umwandelt.

[BILD: Entwicklung der Sonne in den nächsten Milliarden Jahren. Übrig bleiben wird ein Weißer Zwerg, der in einen farbenprächtigen Planetarischen Nebel eingebettet ist. Der Nebel wird sich aus den abgestoßenen, äußeren Gashüllen der Sonne bilden. Quelle: A. Müller]

Der resultierende Weiße Zwerg wird in etwa so groß sein wie die Erde, aber ungefähr eine Sonnenmasse haben. Seine mittlere Dichte beträgt dann etwa 2,4 x 10⁶  g/cm³. Ein spielwürfelgroßes Stück Materie vom Weißen Zwerg wiegt so viel wie ein großes Auto.  

Darf's ein bisschen mehr sein?
Das sind immer noch Peanuts. Die Kerne von massereicheren Sternen als die Sonne können ihr Inneres zu noch größeren Dichten zusammenquetschen. Die Dichten sind sogar so hoch, dass die Atomhüllen in die Atomkerne gepresst werden (inverser Betazerfall). Dabei wandelt sich die Materie zu einem großen Teil in Neutronen um. Das entstehende Sternüberbleibsel heißt daher Neutronenstern. Die Dichte eines Neutronensterns steigt von außen nach innen von 10⁴ nach 10¹⁵  g/cm³ an. Im Inneren erreicht er offenbar mehrfache Kernmateriedichte! Die Kernmateriedichte liegt bei 3 x 10¹⁴ g/cm³ und meint die Dichte von Atomkernen. Ein Liter von der Neutronensternmaterie aus dem tiefsten Innern des Sterns hat soviel Masse wie alle Weltmeere der Erde zusammen! Es wird gerätselt, ob dabei tief im Herzen eines Neutronensterns Materie in einer vollkommen neuen Form vorliegen könnte: dem Quark-Gluon-Plasma.  

Exotische Materie im frühe Universum  
Eine Nanosekunde nach dem Urknall gab es im Universum noch keine Planeten, Sterne oder Galaxien - ja, noch nicht einmal chemische Elemente, Protonen oder Neutronen. Die Materie war in Einzelteile zerlegt und zwar so sehr, dass die Bestandteile der Protonen und Neutronen, die Quarks, frei in einem Gas herumschwirrten. Dieser Materiezustand heißt Quark-Gluon-Plasma. Die Gluonen sind die Botenteilchen, die die starke Kraft übertragen. Sie können Quarks zu Zweierpaaren (Mesonen) oder Dreierpaaren (Baryonen) zusammenkleben. Dieser Vorgang heißt Hadronisierung und setzte später bei der weiteren Abkühlung des Universums ein.
Um den exotischen Materiezustand des Quark-Gluon-Plasmas zu erzeugen, muss man entweder Materie extrem dicht zusammenpressen, zu fünf- bis zehnfacher Kernmateriedichte. Oder man macht die Materie extrem heiß, auf eine Billion Grad, d.h. 100.000mal heißer als das Zentrum unserer Sonne.
Beides klingt unerreichbar verrückt. Dennoch ist Teilchenphysikern am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in den USA 2004 der Durchbruch gelungen, das Quark-Gluon-Plasma herzustellen. Dazu beschleunigten sie schwere Atomkerne von Gold und ließen sie in einem winzigen Raumpunkt zusammenstoßen. Dort bildete sich für Sekundenbruchteile ein "nuklearer Feuerball" mit wahnsinnig hohen Dichten bzw. Temperaturen. Die Bedingungen waren so extrem, dass die Materie in das Quark-Gluon-Plasma zerfiel.
Übrigens kann sowas auch am derzeit stärksten Teilchenbeschleuniger, dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN, gemacht werden. Dort wurde Ende 2010 ein Betriebsmodus getestet, wo er nicht Protonen, sondern Bleiionen kollidieren lässt (CERN Pressemitteilung). Weil ein Bleiatomkern 207mal schwerer ist als ein Proton (=Wasserstoffatomkern) waren die erreichten Energien deutlich größer (287 TeV pro Beam). Im Experiment ALICE wird dann der neue, superdichte Materiezustand untersucht.

[BILD: Im LHC-Experiment ALICE wird der "Teilchenunfall" von Bleiionen genau unter die Lupe genommen. Die einzelnen Quarks fügen sich wieder zu Mesonen und Baryonen zusammen - "hadronisieren" - und sind als Büschel zu sehen. Quelle: CERN] 

Unendliche Dichte im Schwarzen Loch?
In der Astrophysik gibt es Objekte, wo die Gravitation den endgültigen Sieg über alle anderen Kräfte errungen hat: Schwarze Löcher. Nehmen wir an, ein Schwarzes Loch habe drei Sonnenmassen, dann beträgt seine Größe - angegeben durch seinen Ereignishorizont (oder Schwarzschildradius) - neun Kilometer. Würde man seine Masse gleichmäßig über dieses Kugelvolumen verteilen, so ergäbe sich eine mittlere Dichte von 2 x 10¹⁵ g/cm³, also etwa 7fache Kernmateriedichte.  Bei einem Schwarzen Loch ist es aber offenbar noch viel schlimmer. Denn Schwarze Löcher sind Masse ohne Materie! Studiert man die Raumzeit-Lösungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, die kosmische Schwarze Löcher gut beschreiben (nämlich Schwarzschild- und Kerr-Metrik), dann findet man eine Krümmungssingularität. Hier drin steckt die ganze Masse des Lochs, und hier werden Raumzeit-Krümmung und Dichte unendlich. Die Physik kommt hier an ihre Grenze der Beschreibbarkeit und Vorhersagekraft. Ob es diese Singularitäten tatsächlich in der Natur gibt, wurde bislang nicht gezeigt. Wir wissen nur, dass einige Objekte da draußen, sehr gut mit dem Modell der klassischen Schwarzen Löchern beschrieben werden können.  

Gibt es eine maximale Dichte?
Theoretische Physiker können eine Grenze ausrechnen, an denen weder eine Beschreibung mit der Relativitätstheorie, noch mit der Quantentheorie allein ausreichen. Das ist die sog. Planck-Skala. Die maximale Dichte, die aus der Planck-Skala abgeleitet werden kann, heißt Planck-Dichte und beträgt 10⁹³ g/cm³. Das sind nochmal 78 Zehnerpotenzen mehr als zehnfache Kernmateriedichte. Eine unvorstellbar große Zahl, aber immerhin kleiner als unendlich - wenn auch nahe dran. Diese Skala ist so weit weg von Gut und Böse, dass sie nicht experimentell zugänglich ist. Insofern ist auch die Planck-Skala spekulativ.  

Der Ausweg in die Quantengravitation
Anschaulich bedeutet die Planck-Dichte, dass hier eine Quantenbeschreibung der Gravitation notwendig ist. Auf derartige Quantengravitationstheorien gibt es schon ein paar Anwärter, u.a. Stringtheorie und Loop-Quantengravitation, aber es handelt sich dabei noch um spekulative Theorien. Es gibt sogar schon experimentelle Tests dieser Theorien, aber bislang stützen sie sie nicht.  
Spannend sind sie allemal. Nehmen wir an, wir pressten Materie mehr und mehr zusammen und erreichten die Planck-Dichte. Dann sagt die Loop-Quantengravitation voraus, dass von der quantisierten Raumzeit ein nach außen gerichteter "Quantendruck" ausgeht, der eine weitere Verdichtung von Materie verhindern würde. Damit könnte sogar die frühe, heftige Ausdehnungsphase des Universums erklärt werden, die Inflation genannt wird.  

[BILD: Die Dichte-Skala des Universums. Quelle: A. Müller]

Zusammenfassung
Die Dichte-Skala des Universums ist oben zusammengefasst. Interessant ist, dass wir angesichts der Zehnerpotenzen deutlich mehr nicht verstanden haben, als verstanden. Die Theorie besagt, dass es eine höchste Dichte geben muss und dann komplett neue Effekte zu erwarten sind. Diese Bereiche können Physiker bereits experimentell testen und es wird spannend sein hier die kommenden Entwicklungen zu verfolgen.

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