Създаване на екзотичен „космически“ лед в лабораторията

Търсенето на живот извън Земята обикновено се фокусира върху първо търсене на вода, основата на живота, какъвто го познаваме. Независимо дали водата е газ, течност или твърдо вещество, нейното присъствие и състав могат да кажат на изследователите много за планетата, луната, кометата или астероида, на които е открита и дали може да поддържа живот.

Защото междузвездно пространство е толкова студено и е предимно вакуум, вода ние откриваме от Земята, обикновено е под формата на аморфен лед, което означава неговия атомна структура не е подредена спретнато в кристална решетка като лед на Земята. Как се осъществява преходът между кристалната и аморфната ледена фаза ледени тела като Европа или върху обекти от пояса на Кайпер отвъд Плутон, е трудно да се изучава – освен ако не можете да имитирате студения, тъмен вакуум на космическото пространство, под интензивна радиация, в лаборатория.

Точно върху това работят учени от Националната лаборатория на Оук Ридж (ORNL) на Министерството на енергетиката на САЩ (DOE) и лабораторията за реактивно задвижване на НАСА в Пасадена, Калифорния, в ORNL Spallation Neutron Source (SNS). Те понижиха температурата на еднокристална сапфирена плоча до 25 К (около минус 414 градуса по Фаренхайт), поставиха я във вакуумна камера и добавиха само няколко молекули наведнъж вода – в този случай тежка вода (D2O) – към чинията. След това те наблюдават как структурата на леда се променя с различна температура, преди най-накрая да образува кристален лед. След това екипът планира да симулира ледените тела на Слънчевата система, като бомбардира пробата с електронно излъчване, за да определи как това влияе върху структурата на леда.

„Експериментът създаде слой от аморфен лед, подобен на леда, който съставлява по-голямата част от водата във вселената“, каза Крис Тълк, учен по разсейване на неутрони в ORNL. „Това е същият тип лед, който би могъл да се образува в изключително студените постоянно засенчени области на Луната, в полярните области на спътника на Юпитер Европа и в материала между звездите в нашата галактика, известен като плътни молекулярни облаци. Въпреки че голяма част от леда досега вероятно е кристализирал върху по-топлите тела, пресният лед върху по-студените тела и в дълбокия космос вероятно все още е аморфен.”

Учените се надяват да отговорят на въпроси като това колко от леда на повърхността на Европа, втората най-малка луна на Юпитер, може да бъде аморфен лед в резултат на облъчването на повърхността от заредени частици, произведени от магнитното поле на Юпитер.

„Тази информация може да ни помогне по-добре да интерпретираме научните данни от Европа Клипър космически кораб и също така предоставят някои улики за това как водният лед се развива в различни части на Вселената”, каза Мърти Гудипати, старши изследовател в JPL. “С дата на стартиране планирана за 2024 г., целта на мисията Europa Clipper е да оцени обитаемостта на Европа чрез изучаване на нейната атмосфера, повърхност и вътрешност, включително течна вода под ледената кора, която потенциално може да поддържа живота.”

Първоначалните експерименти на екипа бяха извършени на дифрактометъра Spallation Neutrons and Pressure (SNAP) в SNS, инструмент, който обикновено се използва за експерименти с високо налягане, но който учените конфигурираха да имитира среда с ниско налягане, екстремна студена и висока радиация в космоса. Бъдещите експерименти ще използват нееластично разсейване на неутрони върху инструмента VISION за изследване на динамиката на аморфния лед, докато се образува. Експериментите ще използват и електронно бомбардиране за изследване на промените в тези екзотични форми на лед в среда на космическа радиация.