Используя инструмент, похожий на ледяной ящик, получивший название Гималаи, исследователи показали, что пушистый лед на поверхности кометы кристаллизуется и затвердевает, когда комета направляется к солнцу и нагревается. По мере образования кристаллов водяного льда, которые становятся более плотными и упорядоченными, другие молекулы, содержащие углерод, будут выброшены на поверхность кометы. В результате получается хрустящая корка кометы, присыпанная органической пылью.
«Комета похожа на обжаренное во фритюре мороженое», — сказал Мурти Гудипати из Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, Калифорния, автор-корреспондент недавнего исследования, опубликованного в The Journal of Physical Chemistry. «Корка сделана из кристаллического льда, а внутри более холодная и пористая. Органика подобна последнему слою шоколада сверху».Ведущим автором исследования является Антти Лигнелл, научный сотрудник Калифорнийского технологического института в Пасадене, который ранее работал с Гудипати в JPL.
Исследователи уже знали, что у комет мягкая внутренняя часть и, казалось бы, твердые корки. Космические аппараты NASA Deep Impact и Rosetta Европейского космического агентства внимательно осмотрели кометы и обнаружили следы мягких пористых внутренностей.
В ноябре прошлого года зонд Rosetta Philae отскочил и приземлился на поверхность 67P / Чурюмов-Герасименко, что подтвердило, что кометы имеют твердую поверхность. Черные, похожие на сажу оболочки комет, состоящие из органических молекул и пыли, также были замечены ранее миссией Deep Impact.
Но точный состав коры кометы и то, как она образуется, остается неясным.В новом исследовании ученые обратились к лабораториям на Земле, чтобы собрать модель кристаллизующейся коры кометы. Эксперименты начались с аморфным или пористым льдом — предложенным составом самых холодных из комет и ледяных лун.
В этом состоянии молекулы водяного пара мгновенно замораживаются при чрезвычайно низких температурах около 30 Кельвинов (минус 243 градуса Цельсия или минус 405 градусов Фаренгейта), что-то вроде Хан Соло в фильме «Империя наносит ответный удар». Неупорядоченные состояния сохраняются: молекулы воды случайным образом смешиваются с другими молекулами, такими как органические вещества, и остаются замороженными в этом состоянии. Аморфный лед похож на сахарную вату, объясняет Гудипати: легкий, пушистый и заполненный карманами пространства.
На Земле весь лед находится в кристаллической форме. На нашей планете недостаточно холодно, чтобы образовался аморфный лед.
Даже горсть рыхлого снега имеет кристаллическую форму, но содержит гораздо более мелкие кристаллы льда, чем снежинки.Гудипати и Лигнелл использовали свой криостат в Гималаях, чтобы медленно нагреть свои аморфные ледяные смеси с 30 до 150 кельвинов (минус 123 градуса по Цельсию или минус 190 градусов по Фаренгейту), имитируя условия, в которых комета движется к Солнцу. Лед был наполнен органическими веществами, называемыми полициклическими ароматическими углеводородами или ПАУ, которые встречаются повсюду в глубоком космосе.Результаты стали неожиданностью.
«ПАУ слиплись и были вытеснены из ледяного хозяина по мере его кристаллизации. Это может быть первое наблюдение объединения молекул в кластеры из-за фазового перехода льда, и это, безусловно, имеет много важных последствий для химии и физики льда», — сказал Лигнелл.Когда ПАУ выбрасывались из ледяных смесей, молекулы воды имели место для соединения и образования более плотно упакованных структур кристаллического льда.
«То, что мы увидели в лаборатории — кристаллическую кору кометы с органическими веществами наверху — соответствует тому, что было предложено в результате наблюдений в космосе», — сказал Гудипати. Обжаренное во фритюре мороженое — действительно прекрасная аналогия, потому что внутренность комет должна быть очень холодной и содержать более пористый аморфный лед ».
Состав комет важен для понимания того, как они могли доставить воду и органические вещества на нашу зарождающуюся, кипящую горячую Землю. Новые результаты миссии Rosetta показывают, что астероиды, возможно, были основными переносчиками компонентов жизни; однако дебаты продолжаются, и кометы, возможно, сыграли свою роль.
Для Гудипати кометы — это капсулы, содержащие ключи не только к истории нашей планеты, но и к рождению всей нашей солнечной системы.Он сказал: «Приятно думать о том, как далеко мы продвинулись в нашем понимании комет. Будущие миссии, направленные на возвращение холодных образцов комет на Землю, могут позволить нам полностью раскрыть их секреты».
Rosetta — это миссия Европейского космического агентства, в которую вносят вклад государства-члены и НАСА. JPL, подразделение Калифорнийского технологического института в Пасадене, отвечает за участие США в миссии Rosetta для Управления научных миссий НАСА в Вашингтоне.
Калифорнийский технологический институт управляет Лабораторией реактивного движения для НАСА.