深空中的水冰，例如在土星的冰凍衛(wèi)星恩塞拉都斯上，可能部分是結(jié)晶的，這基于新的研究。
深空中的冰，例如在土星的冰凍衛(wèi)星恩塞拉都斯上，可能部分是結(jié)晶的，這基于新的研究。
(圖片來源：NASA/JPL)
水冰存在于宇宙的各個角落，從冰凍的衛(wèi)星到星際云中的霜凍塵埃顆粒。然而，倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）和劍橋大學(xué)的研究人員最近發(fā)現(xiàn)，太空中的冰與我們想象的并不一樣。
在地球上，冰存在于相對溫暖的溫度下，這使得水分子有足夠的能量形成有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，類似于雪花的對稱性。然而，在太空中，溫度驟降至零下100攝氏度或更低，人們以前認(rèn)為水冰在這種條件下無法結(jié)晶。相反，人們認(rèn)為太空中的水冰是純粹的無定形的；換句話說，沒有結(jié)晶，分子之間也沒有有序的結(jié)構(gòu)。
恩塞拉都斯向太空噴射，水蒸氣凍結(jié)并降雪回冰凍衛(wèi)星的表面，但根據(jù)之前的理論，這些雪花不會像地球上的雪花那樣具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。但現(xiàn)在，新的研究表明，至少在某種程度上是可以的。將無定形冰凍結(jié)的計算機模擬與真實無定形冰的X射線衍射測量結(jié)果相匹配，表明在某些情況下，高達(dá)四分之一的無定形冰可以由晶體構(gòu)成。
“我們現(xiàn)在對宇宙中最常見的冰的形式在原子水平上是什么樣子有了很好的了解，”倫敦大學(xué)學(xué)院和劍橋大學(xué)的Michael B. Davis說。“這很重要，因為冰參與了許多宇宙學(xué)過程，例如行星的形成、彗星的演化以及物質(zhì)在宇宙中的運動。”
低密度無定形冰是1930年代通過將水蒸氣冷凝到冷卻到零下110攝氏度的金屬板上而發(fā)現(xiàn)的。高密度無定形冰在1980年代被發(fā)現(xiàn)是可能的，當(dāng)時研究人員在零下200攝氏度下粉碎無定形冰。2023年，戴維斯團隊首次學(xué)會了如何制造中密度無定形冰。這種中密度無定形冰具有與液態(tài)水相同的特性，因此它既不漂浮也不下沉。
然而，低密度無定形冰在宇宙中最常見，這就是戴維斯團隊用來進行實驗的冰。
首先，他們運行了兩種不同的模擬。一種通過將水冷卻到零下120攝氏度（零下184華氏度）來創(chuàng)建虛擬冰塊，但以不同的速度冷卻，以便它們凍結(jié)的方式不同。另一個模擬開始于由以相等間距堆積在一起的大冰分子立方體，然后隨機打亂這些分子。