Лабораторные исследования космического льда

Лаборатория космического льда Годдарда — одна из немногих лабораторий, где исследователи изучают химию космического льда, воспроизводя реакции льда практически из любого времени и места в истории Солнечной системы, включая те, которые могут помочь объяснить происхождение жизни.

За запертыми дверями, в лаборатории, построенной как бомбоубежище, Перри Геракинс создает нечто обычное, но поистине инопланетное: лед.

Особенности строения

Это не лед из снежинок или кубиков льда. Нет, для образования этого льда нужен такой сильный холод и низкое давление, что подходящие условия редко, если вообще когда-либо, возникают на Земле естественным образом. И когда Геракин делает лед, он должен поддерживать слой настолько тонким, что его не может не заметить крупинка пыльцы.

Эти ультратонкие слои идеально подходят для воссоздания ключевых химических процессов, происходящих в космосе. В этих маленьких пробирках, Gerakines и его коллеги в Ледовом лаборатории Космического в НАСА «s Goddard Space Flight Center в Гринбелте, штат Мэриленд, можно воспроизвести реакции в лед практически из любого места и времени в истории Солнечной системы, в том числе те , которые может помочь объяснить происхождение жизни.

Знакомые формы льда, включая снежинки (слева), построены из кристаллов, но аморфный лед (справа) не имеет структуры. Источники: NASA / Earth Observatory (левое изображение) и NASA / ARC / P. Дженнискенс и Д.Ф. Блейк (изображение справа)

«Это не та химия, которую люди помнят со школы», — говорит Реджи Хадсон, руководитель Cosmic Ice Lab. «Это химия в высшей степени: сильный холод, резкая радиация и почти полное отсутствие давления. И обычно это происходит в газах или твердых телах, потому что вообще говоря, в межзвездном пространстве нет жидкостей».

Ученые НАСА из Лаборатории космического льда Годдарда изучают химические вещества, которых на Земле почти никогда не было. Чрезвычайно холодный, жесткий вакуум и высокая радиационная среда в космосе позволяют формировать неструктурированную форму твердой воды, называемую аморфным льдом. Часто в этом льду задерживаются частицы и органические соединения, которые могут дать ключ к разгадке жизни во Вселенной. Предоставлено: НАСА.

Cosmic Ice Lab — одна из немногих лабораторий по всему миру, где исследователи изучают ультрахолодный химический состав космического льда.

Благодаря мощному ускорителю элементарных частиц лаборатория Годдарда обладает особой способностью имитировать почти любой вид солнечного или космического излучения, чтобы управлять этими реакциями. И это позволяет им копать глубже, чтобы изучить химию льда под поверхностью планет и лун, а также льда в космосе.

Рецепт беспорядка

В вакуумной камере размером с коробку для завтрака Геракин воссоздает небольшой участок глубокого космоса во всех его проявлениях. Он откачивает воздух до тех пор, пока давление внутри не упадет до уровня в миллиард раз ниже нормального для Земли, а затем охлаждает камеру до минус 433 градусов по Фаренгейту (15 кельвинов). Чтобы получить лед, остается только открыть вентиль и впустить водяной пар.

В тот момент, когда бодрые молекулы пара входят в камеру, они буквально застывают на своем пути. По-прежнему указывая в разные стороны, молекулы немедленно превращаются из своего газообразного состояния в беспорядочное твердое тело, называемое аморфным льдом. Аморфный лед — это полная противоположность типичному льду на Земле, который образует идеальные кристаллы, подобные тем, что составляют снежинки или иголки льда. Эти кристаллы настолько упорядочены и предсказуемы, что этот лед считается минералом с оценкой твердости 2,5 по шкале Мооса — такой же, как у ногтя.

Аморфный лед, о котором почти никто не слышал на Земле, настолько широко распространен в межзвездном пространстве, что может быть самой распространенной формой воды во Вселенной. Оставшаяся со времен зарождения Солнечной системы, она разбросана на огромные расстояния, часто в виде частиц размером не больше пылинок. Его также видели в кометах и ледяных лунах.

Чтобы смоделировать ущерб от частиц солнечного ветра и космических лучей, ученые из лаборатории космического льда Годдарда облучают лед с помощью этого ускорителя Ван де Граафа. Высокое напряжение накапливается в 10-футовой трубе (слева), достигая высшей точки в источнике луча (справа) на дальнем конце. Предоставлено: НАСА.

Секрет создания аморфного льда в лаборатории, как обнаружил Геракин, заключается в том, чтобы ограничить слой толщиной примерно полмикрона — тоньше, чем прядь паучьего шелка.

«Вода — такой хороший изолятор, что если лед станет слишком толстым, только нижняя часть образца, ближе к источнику охлаждения, останется достаточно холодной», — говорит Геракинес. «Лед наверху станет достаточно теплым, чтобы кристаллизоваться».

• В супертонкий лед можно добавить всевозможные интересные химические вещества, обнаруженные в космосе.
• Один из наборов химических веществ, с которыми работает Геракин, — это аминокислоты, которые играют ключевую роль в химии жизни на Земле.
• Исследователи потратили десятилетия на идентификацию целого шведского стола аминокислот в метеоритах (включая некоторые из них, присутствующие в жизни), а также на одну, найденную в образце, взятом с кометы.

«И поскольку вода является доминирующей формой замороженного материала в межзвездной среде и во внешней Солнечной системе, — говорит Геракинс, — любые аминокислоты, вероятно, в какой-то момент контактируют с водой».

Для своего текущего набора экспериментов, Gerakines делает три вида льда, каждые с шипами аморфной формой аминокислоты кислоты (либо глицин, аланин или фенилаланин), который находится в белках.

Воздействие радиации на лёд

Настоящее действие начинается, когда Геракин поражает лед радиацией.

Более ранние исследования других исследователей изучали химию льда с использованием ультрафиолетового света. Вместо этого Геракин предпочитает смотреть на космическое излучение, которое может достигать льда, скрытого под поверхностью планеты или луны. Чтобы имитировать это излучение, он использует пучок протонов от высоковольтного ускорителя частиц, который находится в подземном помещении с огромными бетонными стенами для безопасности.

С помощью протонного пучка можно всего за полчаса воспроизвести ущерб, нанесенный за миллион лет. И, регулируя дозу радиации, Геракин может обращаться со льдом, как если бы он лежал обнаженным или погребенным на разной глубине почвы в кометах или ледяных лунах и планетах.

Он тестирует три вида льда с водой и аминокислотами и сравнивает их со льдом, состоящим только из аминокислот. Между взрывами он проверяет образцы с помощью метода «молекулярного отпечатка пальца», называемого спектроскопией, чтобы увидеть, не разрушаются ли аминокислоты и не образуются ли побочные химические продукты.

Как и ожидалось, по мере увеличения дозы облучения все больше и больше аминокислот разрушается. Но Геракин замечает, что аминокислоты служат дольше, если во льду есть вода, чем если бы они оставались сами по себе. Это странно, потому что, когда вода распадается, один из фрагментов, который она оставляет, является гидроксилом (ОН), химическим веществом, хорошо известным своим разрушительным действием на другие соединения.

Вода в составе космического льда

Спектроскопия подтверждает, что образуется некоторое количество ОН. Но в целом, говорит Геракинес, «вода, по сути, действует как радиационный щит, вероятно, поглощая много энергии, точно так же, как это сделал бы слой камня или почвы».

Когда он повторяет эксперименты при двух более высоких температурах, он с удивлением обнаруживает, что кислоты действуют еще лучше. По этим предварительным измерениям он и Хадсон вычислили, как долго аминокислоты могут оставаться неповрежденными в ледяной среде при различных температурах.

«Мы обнаружили, что некоторые аминокислоты могут выжить от десятков до сотен миллионов лет во льду у поверхности Плутона или Марса и погребены по крайней мере на сантиметр [менее полдюйма] в таких местах, как кометы во внешней Солнечной системе, — говорит Геракинес. «Для места, которое подвергается сильной радиации, такого как Европа, их нужно будет похоронить на несколько футов». ( Эти результаты были опубликованы в журнале Icarus в августе 2012 года.)

«Хорошая новость для исследовательских миссий, — говорит Хадсон, — похоже, что эти аминокислоты на самом деле более стабильны, чем кто-либо думает, при температурах, типичных для таких мест, как Плутон, Европа и даже Марс».

Лаборатория космического льда является частью лаборатории астрохимии в отделе исследования солнечной системы Годдарда и частично финансируется Центром астробиологии Годдарда и Институтом астробиологии НАСА.

Источник

Метки: Астрохимия