Нарешті доведено існування дивного типу льоду, який, як вважають, живе глибоко в океанах чужих планет.
Вперше дослідники безпосередньо спостерігали свого роду гібридну фазу води, яка називається пластичним льодом, яка утворюється при високих температурах і тиску і виявляє риси як твердого льоду, так і рідкої води. Спостереження, опубліковані в журналі Nature, можуть допомогти дослідникам краще зрозуміти внутрішню архітектуру та процеси інших світів у нашій сонячній системі та за її межами, деякі з яких можуть бути придатними для життя.
Пластичний лід — це «щось проміжне між рідиною та кристалом, ви можете собі уявити, що він м'якший, коли його стискаєте», — каже фізик Лівія Бове з CNRS у Парижі. Він називається пластичним льодом, тому що його легше формувати або деформувати, ніж типовий кристалічний лід, демонструючи властивість, яку вчені називають пластичністю, каже вона. «Як щось, що може [протиснутися] через отвір і вийти, навіть якщо воно все ще тверде».
Більшість льоду, що лежить на поверхні Землі — включаючи кубики льоду, льодовики й сніг — складається з молекул води, які знаходяться у гексагональній решітці, що нагадує стільники. Вчені класифікують цю поширену кригу як лід lh. Але на додаток до льоду Ih існує принаймні 20 інших відомих фаз льоду, які утворюються в різних умовах тиску та температури. При тиску вище 20 000 барів — або 20 000 кілограмів на квадратний сантиметр — крижані ґрати стискаються в лід VII, поліморф із щільною кубічною структурою, в якій молекули впорядковані як кубики у кубику Рубика. Лід VII був виявлений у пастці в алмазах, що походять з мантії Землі, і, як вважають, зустрічається також усередині інших планет. А шанувальникам Курта Воннегута може бути цікаво дізнатися, що лід IX був виявлений в 1996 році, хоча він не має жахливої здатності заморожувати цілі океани.
Існують також фази льоду, існування яких лише передбачалося. Понад 15 років тому комп'ютерне моделювання показало, що коли лід VII нагрівається і піддається екстремальним тискам, його окремі молекули води повинні почати вільно обертатися, якби це була рідина, займаючи фіксовані положення, як у твердому тілі. Оскільки гіпотетична фаза мала ту ж кубічну кристалічну структуру, що й лід VII, вона стала відома як пластичний лід VII. Але оскільки проведення експериментів за таких високих тисків було технічно неможливе на той час, переконливі докази існування пластичного льоду вислизали від учених протягом багатьох років.
Для нового дослідження Бове та його колеги використали відносно новий інструмент в Інституті Лауе-Ланжевена у Греноблі, Франція, який здатний вимірювати рух молекул при екстремальних тисках. В ході експериментів вони направляли нейтронний пучок на зразки води та піддавали зразки впливу температур до 326° C та тиску до 60 000 барів. У міру того, як вхідні нейтрони взаємодіяли з молекулами води у зразках, вони набували або втрачали енергію залежно від того, наскільки сильно рухалися та оберталися молекули води, перш ніж розсіюватись у напрямку детектора. Вимірювання енергії розсіяних нейтронів дозволило команді Бове схарактеризувати рух молекул і визначити фазу, що утворилася.
При температурі вище 177° C і тиску приблизно 30 000 барів - приблизно у 28 разів більшому, ніж тиск у найглибшій точці океанів Землі - команда Бове спостерігала фазу льоду, яка мала кубічні кристалічні грати з молекулами води, що обертаються приблизно так само швидко, як і в рідкій воді. Вони ідентифікували фазу як пластичний лід VII, остаточно підтвердивши його існування.
Однак одна деталь, що спостерігалася, розходилася з прогнозами. Замість вільно обертатися, молекули води, мабуть, здійснювали різкі рухи. У міру обертання молекул вони розривали свої водневі зв'язки з одним сусідом, а потім швидко поверталися та зв'язувалися з іншим, пояснює Бове.
Пластичний лід VII міг існувати на ранніх стадіях формування Європи, Титану та інших крижаних місяців у нашій сонячній системі, до того, як вся вода витекла з їхніх надр із високим тиском, каже планетолог Батіст Журно з Вашингтонського університету в Сіетлі. Нові спостереження можуть допомогти дослідникам зібрати докупи історію того, як ці місяці перетворилися на океанічні світи, якими вони є сьогодні, каже він.
А за межами нашої сонячної системи дивний лід може лежати на дні гігантських океанів на екзопланетах, деякі з яких мають глибину в тисячі кілометрів і потенційно придатні для життя, каже Журно. Дослідження того, як легко пластичний лід VII включає солі у свої ґрати, може допомогти визначити, чи посилює присутність дивної фази обмін солями між морським дном екзопланети та океанами над нею, каже він. «Це фактично наситило б океан великою кількістю поживних речовин».
