Лёд — одно из самых распространённых веществ во Вселенной, однако то, каким он считается на Земле, не совсем соответствует его истинной природе в космосе. Долгое время учёные полагали, что космический лёд — это полностью аморфная, то есть неупорядоченная масса, которая формируется при экстремально низких температурах и не имеет кристаллической структуры. Новые исследования, проведённые учёными из Йусуф Хамид отдела химии Кембриджского университета и Университетского колледжа Лондона, опровергают эти представления и предлагают свежий взгляд на свойства космического льда.Традиционно лёд на Земле ассоциируется с плотной кристаллической структурой, часто испытываемой в привычных условиях с температурой выше нуля градусов Цельсия. В космосе же, где температуры падают далеко ниже нуля, предполагалось, что вода кристаллизуется крайне медленно или вообще замерзает в случайном порядке, образуя безструктурную массу — аморфный лёд.
Этот тип льда широко распространён в кометах, на ледяных спутниках планет и в межзвёздных пылевых облаках, служащих «инкубаторами» для звёзд и планет.Однако новое исследование разрушает эту модель. Компьютерные симуляции, проведённые в рамках этого проекта, показали, что наиболее распространённая в космосе форма льда, известная как низкоплотный аморфный лёд, на самом деле содержит среди своей «беспорядочной» структуры мельчайшие кристаллические зерна размером около трёх нанометров. Для сравнения, это всего в несколько раз шире, чем молекула ДНК. Значит, лёд в космосе нельзя считать совершенно аморфным — внутри него всё же присутствуют определённого рода упорядоченные участки.
Экспериментальные данные дополнили картину: разная предыстория формирования аморфного льда приводит к появлению различных кристаллических структур при его повторном кристаллизационном процессе. То есть лёд «помнит» условия и особенности своего образования, что невозможно было бы, если бы он был полностью аморфным и лишёным какого-либо порядка. Такое открытие кардинально меняет наше понимание микроструктуры космического льда.Эти результаты имеют важное значение для нескольких областей астрофизики и космической химии. Во-первых, лёд играет ключевую роль в формировании планет и звёзд, участвуя в процессах аккреции пыли и газа.
Понимание природы льда помогает понять, как распределяется материя в протопланетных дисках и какие условия способствуют зарождению жизни.Гипотеза панспермии, согласно которой ингредиенты жизни попали на Землю с кометами и астероидами, опирается на идею о том, что аморфный лёд мог выступать в роли «космического транспорта» для молекул, необходимых для возникновения жизни — таких как простые аминокислоты. Новые данные подсказывают, что частично кристаллическая структура льда уменьшает пространство, в котором эти молекулы могли бы прочно сохраняться. Тем не менее, аморфные участки внутри льда всё ещё могут обеспечить необходимую среду, где молекулы могли бы быть захвачены и защищены от разложения в космическом пространстве.Недавние открытия также показали существование среднеплотного аморфного льда, плотность которого сопоставима с плотностью жидкой воды.
Такой лёд бы ни плавал, ни тонул в воде, что описывает необычные свойства, вызывающие интерес к дальнейшему исследованию структурных аномалий воды и льда.Уникальный состав и структуры космического льда могут найти применение и в космических технологиях. Потенциально лёд способен выполнять роль естественного экрана от космической радиации, защищая космические аппараты и их оборудование. Кроме того, он может стать источником топлива, обеспечивая водородом и кислородом будущие миссии.Руководитель исследования доктор Майкл Дэвис и профессор Анджелос Михаэлидис отмечают, что понимание физико-химических свойств космического льда — важный шаг для успешного освоения космоса и раскрытия тайн возникновения Вселенной.
Международное сотрудничество и междисциплинарный подход позволяют глубже понять сложные процессы, происходящие в холодных уголках космоса.При этом открываются новые вопросы: возможно ли существование абсолютно аморфного льда в природе, зависит ли размер кристаллов внутри льда от условий его формирования и насколько эти мелкие кристаллические образования влияют на динамику и эволюцию космических тел. Продолжающиеся эксперименты и моделирование в этой области обещают ответить на многие загадки и расширить горизонты наших знаний о воде — веществе, которое, несмотря на свою повсеместность, до сих пор остаётся источником новых открытий.Таким образом, космический лёд оказывается не просто «замороженной водой» без структуры и порядка, а сложным материалом с уникальными физическими свойствами и неоднородной микроструктурой. Эти особенности влияют на развитие космических тел, процессы формирования планет и, возможно, играют ключевую роль в зарождении жизни в нашей и других галактиках.
Исследования, проведённые Кембриджским университетом и UCL, заставляют пересмотреть многие устоявшиеся представления и вдохновляют на дальнейшие научные прорывы в области космохимии и астробиологии.
