Если сильно охладить лед и облучать его ультрафиолетом, он будет вести себя как очень вязкая жидкость. К такому выводу пришла группа ученых из Японии, исследовавшая две формы льда: обычный водяной и аналог межзвездного аморфного льда, состоящий из смеси воды, метанола и аммиака. Статья исследователей опубликована в журнале Science Advances.

Ультрафиолетовое облучение аморфного льда (преимущественно водяного) в молекулярных облаках или во внешней холодной части протопланетных дисков может играть ключевую роль в синтезе сложных органических веществ. Например, недавние эксперименты показали, что рибоза и связанные с ней сахара могут быть синтезированы при ультрафиолетовом облучении аналога такого льда, состоящего из воды, метанола и аммиака. В новой работе авторы провели несколько экспериментов по низкотемпературному фотолизу на аналоге межзвездного аморфного льда.

Сначала ученые провели серию экспериментов, в которых они осаждали смесь из воды, метанола и аммиака в различных соотношениях (от 10 до 2:1:1) на медный субстрат с золотым покрытием. Температура поддерживалась равной примерно десяти кельвин, образец непрерывно облучался ультрафиолетовыми лучами, полученными с помощью аппарата низкотемпературного фотолиза PICACHU (аббревиатура расшифровывается как «Photochemistry in Interstellar Cloud for Astro-Chronicle in Hokkaido University»). Осаждение, облучение и охлаждение прекращалось, как только толщина полученного аморфного льда достигала нескольких микрометров. Затем экспериментаторы наблюдали в оптический микроскоп за нагреванием образца. Для сравнения были проведены эксперименты, в которых предварительного облучения ультрафиолетом не было.

Процесс образования пузырьков в ледяной смеси (соотношение вода:метанол:аммиак равно 5:1:1). Shogo Tachibana et al / Science Advance

Полученный учеными лед изначально имел гладкую поверхность, которая начала трескаться при температуре около 60 кельвинов. При дальнейшем нагревании (начиная с температуры 65 кельвинов) образец начал кипеть и пузыриться. Образование пузырьков, состоящих большей частью из водорода, продолжалось до температуры 150 кельвинов, когда лед снова кристаллизовался. При температуре около 180 кельвинов лед сублимировал, оставив органический материал со следами пузырьков. По словам авторов статьи, наблюдаемые процессы свидетельствуют о том, что облученный ультрафиолетом лед представлял собой вязкую жидкость. Вязкость этой жидкости ученые оценили по скорости роста пузырьков, рассчитанное значение составляет около 4000 пуаз при температуре 90 кельвинов. Интересно, что образование пузырьков и органики не наблюдалось в образцах, которые не облучались ультрафиолетом в процессе осаждения.

Также физики исследовали обычный водяной лед, который они облучали ультрафиолетом в течение долгого промежутка времени (от десяти минут до часа) при температуре около 10 кельвинов. В полученных таким путем образцах при температурах от 50 до 140 кельвинов ученые наблюдали формирование островков аморфной жидкой фазы льда, которые постоянно меняли форму и расползались по всему объему материала. При отсутствии предварительного облучения эффект не наблюдался, как и в случае ледяной смеси.

Процесс образования и развития аморфной жидкой фазы льда при температуре 60 кельвин. Образец предварительно облучался ультрафиолетом в течение 50 минут при температуре 10 кельвин. Shogo Tachibana et al / Science Advance

Поток фотонов в эксперименте ученых составил около 1014 фотонов в секунду на сантиметр квадратный, что намного больше, чем поток через плотные молекулярные облака (~104), больше, чем текущий солнечный поток (~108) и сравним с потоком во внешнем слое протопланетных дисков в звездных кластерах (~1015). Таким образом, если в данном процессе решающую роль играет доза поглощенного излучения, в молекулярных облаках формирование жидкой фазы льда и органических соединений должно происходить в течение сотен тысяч лет, в то время как в протопланетных дисках оно может занять считанные дни.

Статья ученых позволяет лучше понять механизм образования органики в протопланетных дисках и молекулярных облаках и, в конечном счете, процесс зарождения жизни на Земле, поскольку последний может быть во многом обязан существованию такой межпланетной органики. 

Автор: Дмитрий Трунин