Понятие льда часто ассоциируется у нас с привычной водой, замёрзшей при низкой температуре на поверхности Земли. Однако последние научные исследования, проведённые учёными из Университетского колледжа Лондона и Кембриджского университета, показали, что лёд в космосе кардинально отличается от знакомого нам земного льда. Эти открытия помогают переосмыслить многие принятые представления о природе космического льда и его роли в различных астрономических процессах.Уже долгое время учёные считали, что лёд во Вселенной существует в так называемой аморфной форме — то есть это беспорядочная структура, состоящая из молекул воды, не образующих упорядоченных кристаллических решёток. На Земле лед, напротив, формируется при относительно более высоких температурах, и молекулы воды упорядочиваются, создавая кристаллы со сложной и симметричной структурой, напоминающей снежинки.
В космосе температура гораздо ниже, порой достигая –200 градусов Цельсия и даже меньше, что, как считалось ранее, мешает формированию кристаллической структуры в воде.Внимание учёных к особенностям межзвёздного льда и льда на замёрзших спутниках планет Солнечной системы было вызвано наблюдениями за спутником Сатурна Энцеладом, с поверхности которого в космос извергаются струи водяного пара. Этот пар остывает и оседает обратно в виде снега, но считать его схожим с земными снежинками ранее никто не предполагал. Теперь же новые компьютерные симуляции и эксперименты показали, что в некоторых случаях аморфный космический лёд может содержать до 25% мелких кристаллов. Эти кристаллы имеют размер около 3 нанометров и вкраплены в массу аморфного вещества.
Исследователи использовали две основные модели компьютерного прогнозирования формирования льда: первая предполагала постепенное охлаждение воды до температуры около –120 градусов Цельсия с разными скоростями замерзания, а вторая начинала с идеально упорядоченной структуры воды, после чего вводила случайные нарушения кристаллической решётки. Результаты показали, что во втором случае уровень кристаллической составляющей может быть даже выше, чем в первом, доходя до четверти всего объёма.Чтобы проверить, насколько компьютерные данные соответствуют реальности, учёные провели эксперименты с настоящим аморфным льдом, наблюдая за его структурой с помощью рентгеновской дифракции. Подобный метод позволяет выявить, как рентгеновские лучи отражаются от молекул и выявляют наличие упорядоченных участков внутри примитивно выглядящей структуры. Результаты совпали с симуляциями, подтверждая, что космический лёд — это не просто хаотичный аморфный материал, а смесь аморфных и кристаллических областей.
Один из ключевых результатов исследования — создание и изучение образцов средней плотности аморфного льда, который обладает плотностью, равной плотности жидкой воды, что является уникальным физическим состоянием. Это открытие имеет серьёзные теоретические и практические последствия, учитывая разнообразие условий во Вселенной, где этот тип льда может образовываться под влияние разных факторов, таких как давление и температура.Майкл Б. Дэвис, один из ведущих исследователей, подчеркнул значимость этих открытий, указывая на то, что понимание структуры льда имеет прямое отношение к вопросам формирования планет, движению материи в галактиках и ряду других космологических процессов. Понимание свойств космического льда также важно для разработки будущих космических миссий, поскольку лёд может использоваться не только в качестве ресурса для добычи воды, но и потенциально служить защитой от космической радиации, а также источником топлива за счёт разложения на водород и кислород.
Новизна в понимании космического льда оказывает влияние и на теории происхождения жизни на Земле. Многие учёные придерживаются мнения, что ключевые органические молекулы, необходимые для зарождения жизни, могли быть доставлены на нашу планету с помощью космической пыли и льда. Если лёд частично кристаллический, то такие структуры имеют меньше внутренних пространств, где могли бы храниться органические компоненты. Тем не менее, в аморфных областях всё ещё возможно «запереть» и сохранить эти важные вещества, позволяя гипотезе о космическом происхождении строительных блоков жизни сохранять свою актуальность.Данные научные результаты имеют далеко идущие последствия.
Они открывают новые перспективы для исследований межзвёздного вещества, позволяют пересмотреть методы поиска следов жизни и подготовиться к эксплуатации космических ресурсов. Современные космические телескопы и аппараты, такие как Джеймс Вебб, имеют возможность наблюдать холоднейший лёд межзвёздного пространства, что в сочетании с лабораторными открытиями даёт глубокий инструмент для понимания структуры и состава далеких и загадочных частей Вселенной.В целом исследования показывают, что лёд во Вселенной — далеко не однородное и простое вещество. Он имеет сложную структуру, перемежающуюся аморфными и кристаллическими областями, что влияет на множество физических и химических процессов. Продолжающиеся эксперименты и наблюдения будут расширять наши знания, открывая новые тайны космоса и приближая понимание того, как формируются и развиваются небесные тела, как распространяется материя и как зарождается жизнь в масштабах космоса.
Эти открытия располагают учёных к тому, чтобы по-новому взглянуть на роль льда не только в обходных объектах Солнечной системы, таких как кометы, спутники, астероиды, но и в отдалённых регионах нашей галактики и за её пределами. Понимание особенностей состава и структуры космического льда станет ключевым элементом для будущих исследований и освоения космоса, а также для разработки технологии обеспечения жизненно важных ресурсов для длительных космических экспедиций.Уже сегодня результаты этих исследований стимулируют специалистов по астрофизике, материалам и космической инженерии к активному сотрудничеству, устанавливая новые стандарты в изучении природы воды и её замёрзших форм в условиях самых экстремальных уголков Вселенной. Так лёд перестаёт быть просто знакомым нам элементом природы и превращается в удивительную загадку, ключ к пониманию многих космических процессов.
