Молекулы водяного льда — одни из самых распространенных во Вселенной. Они формируют ландшафты Земли, а на таких небесных телах, как Плутон, Европа, Ганимед, Титан и Энцелад, лед создает целые миры: от гор и валунов до ледяных вулканов. Однако в экстремальных условиях космоса — под высоким давлением или при сверхнизких температурах — лед образует кристаллические структуры, не встречающиеся на нашей планете. Их изучение могло бы раскрыть тайны внутреннего строения ледяных спутников и карликовых планет, подобно тому, как геологические породы Земли рассказывают о ее мантии.

Долгое время исследователи использовали рентгеновские лучи и нейтроны для анализа структуры льда в лабораториях, но такие методы неприменимы в космических миссиях. Однако новаторские эксперименты Кристины Тонауэр и ее команды из Университета Инсбрука (Австрия) показали, что инфракрасная спектроскопия может стать ключом к идентификации экзотических форм льда. Результаты исследования, опубликованные в журнале Physical Review Letters, позволят использовать инструменты космических телескопов, таких как James Webb (JWST), или миссии JUICE Европейского космического агентства, направляющейся к Юпитеру.

Лед, который не растает даже в космосе

На Земле в естественных условиях существует лишь одна форма льда — I_h (гексагональный лед). Но лабораторные эксперименты выявили 21 фазу льда, образующуюся при экстремальных давлениях и температурах. Например, лед V и лед XIII — кристаллические структуры, которые, по мнению ученых, могут скрываться под поверхностью Ганимеда. Их изучение помогло бы понять, как перемещаются слои льда в недрах спутника и взаимодействуют с подповерхностным океаном.

Тонауэр и ее коллеги воссоздали эти фазы в лаборатории, охлаждая воду жидким азотом под давлением в 5000 атмосфер. Даже после снятия давления лед сохранял структуру благодаря низким температурам. Используя инфракрасную спектроскопию, ученые обнаружили, что каждая фаза льда имеет уникальные спектральные «подписи» в ближнем ИК-диапазоне. Это открытие позволяет различить их дистанционно — например, в данных JWST.

Заглянуть под ледяной панцирь Ганимеда

Модели недр Ганимеда предполагают наличие «ледяной мантии» толщиной до 800 км, где доминируют высокопрессурные фазы льда. Если процессы вроде приливных сил Юпитера выносят такой лед на поверхность, его можно зафиксировать с орбиты. Согласно расчетам, JWST способен определить разницу между льдом I_h, V и XIII всего за несколько часов наблюдений.

«Это революционный подход, — отмечает Данна Касим, астрофизик из Юго-Западного исследовательского института (США). — Теперь мы можем изучать структуру льда на спутниках без дорогостоящих посадок или доставки образцов».

Перспективы и вызовы

Хотя метод обещает прорыв в исследовании ледяных миров, остаются вопросы. Например, смешение фаз льда в природных условиях может исказить спектральные данные. Кроме того, аморфный лед (без четкой структуры), который встречается в космосе, иногда содержит вкрапления кристаллических форм, что осложняет анализ.

Миссия JUICE, которая достигнет Юпитера к 2031 году, сможет проверить предсказания ученых. Ее инструменты, включая спектрометры, изучат состав и структуру льда на Ганимеде, Европе и Каллисто. В сочетании с данными JWST это откроет новую главу в понимании эволюции ледяных тел Солнечной системы.

«Мы вкладываем миллиарды в космические миссии, — подчеркивает Касим. — Лабораторные эксперименты, подобные этому, помогают расшифровать данные и понять, что скрывают эти загадочные миры». Инфракрасные технологии не только разгадывают прошлое ледяных спутников, но и приближают нас к ответу на вопрос: может ли их подледный океан стать средой для жизни?

С развитием технологий спектрального анализа ученые планируют составить «карты» распределения экзотического льда на поверхности далеких миров. Это поможет определить зоны геологической активности, такие как криовулканы на Энцеладе или тектонические разломы на Европе. В будущем аналогичные методы могут быть применены для изучения экзопланет в других звездных системах, где лед играет ключевую роль в формировании климата и потенциальной обитаемости.