В зависимости от температуры и давления лёд может принимать одну из 20 различных кристаллических фаз. Исследователи обычно различают фазы льда с помощью рентгеновских лучей или пучков нейтронов, но такие методы неприменимы для изучения льда на далёких небесных телах.
Томас Лёртинг из Университета Инсбрука в Австрии и его коллеги показали, что инфракрасная спектроскопия может различать два типа льда под высоким давлением. Результаты указывают на то, что астрономические обсерватории в инфракрасном диапазоне могут исследовать покрытые льдом планеты или спутники, раскрывая информацию об их геологической эволюции и потенциальной пригодности для жизни.
Лёд в вашем морозильнике — это гексагональный лёд, но при более низких температурах, более высоком давлении или в обоих случаях могут существовать и другие формы.
Фазы льда различаются упорядоченностью атомов кислорода и водорода. Например, у льда V атомы кислорода образуют кольцевые структуры, а атомы водорода имеют случайные (неупорядоченные) позиции. Эта фаза, стабильная при давлении в 500 мегапаскалей и температуре 253 К, предположительно образуется в недрах спутников Юпитера — Ганимеда, спутника Сатурна — Энцелада и других ледяных спутников.
В лаборатории коллега Лёртинга, Кристина Тонауэр, создала лёд V, а также его разновидность со структурированным расположением водорода — лёд XIII.
Команда провела ближнюю инфракрасную спектроскопию обоих образцов и выявила несколько отличительных особенностей, включая зависящее от структуры «плечо» вокруг 1,6 мкм — длины волны, связанной с режимами растяжения. По расчётам группы, эти особенности достаточно выражены, чтобы астрономические инструменты, такие как приборы на обсерватории JWST и миссии JUICE, которая посетит Юпитер, могли потенциально обнаружить их на таком теле, как Ганимед.
«Обнаружение фаз льда под высоким давлением на поверхности или вблизи неё может указывать на внутренние процессы, такие как тектоническая активность, криовулканизм или конвективный перенос из более глубоких слоёв», — говорит Лёртинг.
Майкл Ширбер
Майкл Ширбер — ответственный редактор журнала Physics Magazine, базируется в Лионе, Франция.