Структура льда в космосе — это не порядок и не хаос, это и то, и другое

Новые исследования показывают, что космический лед, долгое время считавшийся совершенно неупорядоченным, по-видимому, имеет некоторые кристаллизованные области.

Иллюстрация: Всё о космосе/Getty Images

Сохранить эту историю Сохранить Сохранить эту историю Сохранить

Лёд — ключевой компонент Вселенной. Замёрзшие молекулы воды есть на кометах, лунах, экзопланетах и в вашем напитке, когда вы охлаждаетесь от летней жары. Однако под микроскопом не весь лёд одинаков, хотя и состоит из одних и тех же компонентов.

Внутренняя структура земного льда – космологическая диковинка. Его молекулы выстроены в геометрические структуры, обычно шестиугольники, повторяющие друг друга. Земной лёд образуется таким образом из-за температуры и давления нашей планеты: вода здесь замерзает медленно, что позволяет её молекулам выстраиваться в кристаллы.

Но лёд, образующийся в космосе, отличается от других условий: вода существует в вакууме и подвергается воздействию экстремальных температур. Поэтому считается, что космический лёд аморфен и не имеет чёткой структуры, как на Земле.

Иллюстрация упорядоченной молекулярной структуры водяного льда на Земле.

GETTY IMAGES

Это представляет собой сложную задачу для учёных, пытающихся понять формирование планет и зарождение жизни. Неполное понимание динамики аморфного льда в космосе имеет побочные эффекты. Например, отсутствие точного понимания того, как замерзает космическая вода, затрудняет оценку доли воды в других солнечных системах.

Поэтому исследователи изучают космический лёд, чтобы лучше понять, как ведёт себя замёрзшая вода вдали от Земли. Образцы льда с комет, астероидов и других обломков Солнечной системы могли бы быть полезны, но пока их не удалось получить, учёные пытаются понять космический лёд с помощью компьютерных моделей и моделирования льда на Земле. Чем больше они его изучают, тем больше сюрпризов он открывает.

В недавнем отчёте, опубликованном в журнале Physical Review B, утверждается, что аморфный лёд, в изобилии присутствующий во Вселенной, действительно обладает неким подобием порядка. В статье выдвигается теория, что он, вероятно, состоит из структурированных фрагментов — кристаллизованных областей, как на Земле, но шириной всего около 3 нанометров, — окружённых хаосом.

Моделирование космического льда. Белые фрагменты — упорядоченные молекулы в кристаллических структурах, синие — неупорядоченные молекулы.

Иллюстрация: предоставлено группой ICE, Кембриджский университет.

Чтобы прийти к такому выводу, команда сначала создала компьютерные модели молекул воды, подвергавшихся изменению температуры с разной скоростью, имитируя образование льда в космосе. Затем они сравнили их с результатами лабораторных экспериментов по получению настоящего аморфного льда. Водяной пар пропускали над очень холодной пластиной, чтобы он превратился в лёд, без образования жидкого состояния между ними – процесс, аналогичный тому, что происходит в планетной системе при рождении. Был получен частично аморфный материал, структура которого наиболее точно соответствовала смоделированной на основе моделей, состоящих на 20% из кристаллического материала и на 80% из аморфного льда.

«Теперь у нас есть хорошее представление о том, как выглядит самая распространенная форма льда во Вселенной на атомном уровне», — заявил Майкл Б. Дэвис, член группы ICE в Кембриджском университете и соавтор исследования.

Знание структуры космического льда важно для проверки спекулятивной идеи панспермии – гипотезы о том, что жизнь на Земле зародилась из соединений или «семян» жизни, прибывших на нашу планету из космоса. Если космический лёд аморфен и имеет низкую плотность, то строительные блоки жизни потенциально могли быть занесены внутрь. Если же, напротив, существует множество кристаллических частиц, то вероятность такого развития событий (из-за меньшего пространства) снижается.

Источник: www.wired.com