Skaber eksotisk is i det ydre rum i laboratoriet

Søgen efter liv hinsides Jorden fokuserer typisk på først at lede efter vand, grundlaget for livet, som vi kender det. Om vandet er en gas, væske, eller fast, dens tilstedeværelse og sammensætning kan fortælle forskere meget om planeten, måne, komet, eller asteroide, hvorpå den er opdaget, og om den kunne understøtte liv.

Fordi det interstellare rum er så koldt og primært er et vakuum, det vand, vi opdager fra Jorden, er normalt i form af amorf is, hvilket betyder, at dens atomstruktur ikke er arrangeret pænt i et krystallinsk gitter som is på Jorden. Hvordan overgangen mellem den krystallinske og amorfe isfase sker på iskolde legemer som Europa eller på Kuiperbæltsobjekter ud over Pluto, er svært at studere - medmindre du kan efterligne kulden, mørkt vakuum af det ydre rum, under intens stråling, i et laboratorium.

Det er præcis, hvad forskere fra US Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) og NASA's Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien, arbejder på ved ORNL Spallation Neutron Source (SNS). De sænkede temperaturen på en enkelt krystal safirplade til 25 K (ca. minus 414 grader Fahrenheit), placerede det i et vakuumkammer, og tilføjede kun nogle få molekyler ad gangen med vand - i dette tilfælde, tungt vand (D2O) – til pladen. Derefter observerede de, hvordan isstrukturen ændrede sig med varierende temperatur, før den til sidst dannede krystallinsk is. Holdet planlægger derefter at simulere solsystemets iskolde legemer ved at bombardere prøven med elektronstråling for at bestemme, hvordan dette påvirker isstrukturen.

"Eksperimentet producerede et lag af amorf is, der ligner den is, der udgør det meste af vandet i hele universet, " sagde Chris Tulk, ORNL neutronspredningsforsker. "Dette er den samme type is, som kunne have dannet sig på de ekstremt kolde, permanent skyggede områder af Månen, på de polare områder af Jupiters måne Europa, og i materialet mellem stjernerne i vores galakse, kendt som tætte molekylære skyer. Selvom meget af isen efterhånden sandsynligvis er krystalliseret på de varmere kroppe, den friske is på koldere kroppe og i det dybe rum er sandsynligvis stadig amorf."

Forskerne håber at kunne besvare spørgsmål som hvor meget af isen på overfladen af ​​Europa, Jupiters næstmindste måne, kunne være amorf is som følge af, at overfladen bliver bestrålet af ladede partikler produceret af Jupiters magnetfelt.

"Denne information kan hjælpe os med bedre at fortolke de videnskabelige data fra Europa Clipper-rumfartøjet og også give nogle fingerpeg om, hvordan vandis udvikler sig i forskellige dele af universet, " sagde Murthy Gudipati, seniorforsker ved JPL. "Med en lanceringsdato planlagt til 2024, Målet med Europa Clipper-missionen er at vurdere Europas beboelighed ved at studere dets atmosfære, overflade, og interiør, inklusive flydende vand under den iskolde skorpe, der potentielt kan understøtte liv."

Holdets indledende eksperimenter blev udført på Spallation Neutrons and Pressure (SNAP) diffraktometer ved SNS, et instrument, der typisk bruges til højtryksforsøg, men som forskerne konfigurerede til at efterligne lavtrykket, ekstrem kulde og høj strålingsmiljø i rummet. Fremtidige eksperimenter vil anvende uelastisk neutronspredning på VISION-instrumentet til at studere dynamikken i den amorfe is, når den dannes. Eksperimenterne vil også anvende elektronbombardement til at studere ændringerne i disse eksotiske isformer i et rumstrålingsmiljø.