Лед — одна из ключевых субстанций во Вселенной, укрывающая собой кометы, спутники планет, экзопланеты и другие космические тела. Несмотря на то, что лед образован одними и теми же молекулами воды, его структура в космосе значительно отличается от того, что мы наблюдаем на Земле. Понимание этой разницы открывает уникальные возможности для исследований как самого льда, так и взаимосвязанных с ним астрофизических процессов. На Земле лед формируется при достаточно мягких условиях давления и температуры, которые позволяют молекулам воды выстраиваться в регулярные геометрические фигуры — чаще всего в виде повторяющихся шестиугольных кристаллов. Процесс замерзания здесь происходит относительно медленно, что способствует формированию хорошо упорядоченных кристаллических решеток.
Эти стабильные структуры имеют важное значение для многих природных явлений и являются привычными для нас. Впрочем, условия в космосе значительно отличаются. Вакуум, экстремально низкие температуры, практически полное отсутствие давления — все это влияет на физику формирования льда. В результате лед в космическом пространстве долгое время считался аморфным, то есть не имеющим четко организованной структуры и напоминающим по своей природе хаос. Такой лед буквально представляет собой массу замерзших молекул воды, расположенных без определенного порядка, что затрудняло понимание его роли в космических процессах.
Недавние научные исследования бросают новый свет на эту проблему. Ученые из Университета Кембриджа провели компьютерные моделирования и лабораторные эксперименты, которые показали, что космический лед обладает своеобразным промежуточным состоянием. Он состоит из крошечных кристаллических участков размером примерно 3 нанометра, окруженных областями с аморфной структурой. Иными словами, лед в космосе является сочетанием порядка и хаоса, что резко меняет наши представления о нем. Компьютерные модели имитировали процесс быстрого охлаждения и пленения молекул воды в условиях космоса, сравнивая результаты с экспериментами в лаборатории, где лед формировали путем конденсации водяного пара на сверххолодной поверхности без перехода через жидкое состояние.
Созданный таким способом лед оказался частично аморфным и частично кристаллизованным, с приблизительным соотношением 80 к 20 процентов. Эти данные позволяют ученым более точно описать форму и структуру самой распространенной формы космического льда на атомном уровне. Понимание того, как именно формируются и структурируются молекулы в столь экстремальных условиях, имеет важное значение для астрофизики и космологии. Например, оно помогает прояснить процессы формирования планетных систем, так как лед является неотъемлемой частью протопланетарных дисков и оказывает влияние на агрегацию частиц и химические реакции. Не менее важным аспектом является связь структуры космического льда и гипотезы панспермии — предположения, что жизнь на Земле могла быть занесена из космического пространства вместе с ледяными частицами, содержащими органические соединения и «строительные блоки» жизни.
Если ледовая матрица в космосе преимущественно аморфна и низкоплотна, существует пространство для хранения таких соединений. Однако если большая часть льда состоит из кристаллов, плотность и структура будут более компактными, что может ограничивать потенциальное количество и сохранность биологических «затравок». Важность новых открытий также проявляется в практическом аспекте — пока невозможно доставить образцы льда с комет, астероидов или других тел, ученые полагаются на компьютерные симуляции и лабораторные эксперименты. Новое понимание помогает систематизировать данные, получаемые от космических миссий, а также настраивать инструменты для будущих запусков. В конечном счете это способствует более точным оценкам количества и распределения воды в разных частях космоса, что напрямую связано с изучением возможности существования жизни за пределами Земли.
