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熟悉的冰形状,包括雪花(左),是由水晶建造的,但是无定形冰(右)是非结构化的信用:NASA /地球观测台(左图)和NASA / ARC / P Jenniskens和DF Blake(右图)Goddard's宇宙冰实验室是研究宇宙冰化学的几个实验室之一,几乎可以在太阳系历史上的任何时间和地点再现冰中的反应,包括可能有助于解释生命起源的一些实验室

在一个像防空洞一样建造的实验室里,Perry Gerakines做了一些平凡而又真正陌生的东西:冰这不是雪花或冰块的冰

不,这种冰需要如此强烈的寒冷和低压才能形成正确的条件很少,如果永远,在地球上自然发生当Gerakines制冰时,他必须保持这层显微细小的层,使其与一粒花粉相形见绌

这些超薄层对于重建一些发生的关键化学反应来说是完美的

太空在这些微小的试管中,Gerakines和他位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心宇宙冰实验室的同事可以在太阳系历史上几乎任何时间和地点重现冰的反应,包括一些可能有助于解释生命的起源“这不是人们从高中时记得的化学反应,”宇宙冰实验室负责人雷吉哈德森说道:“这是极端的化学反应:严寒,严酷的辐射和几乎不存在的压力它通常发生在气体或固体中,因为一般来说,星际空间中没有液体“戈达德宇宙冰实验室的美国宇航局科学家正在研究一种几乎从未在地球上发现过的极端寒冷,真空和高温空间的辐射环境允许形成一种称为无定形冰的非结构形式的固体水通常颗粒和有机化合物被困在这种冰中,可以提供线索宇宙中的fe信用:NASA宇宙冰实验室是世界上为数不多的实验室之一,研究人员一直在研究宇宙冰的超级化学

凭借其强大的粒子加速器,Goddard实验室具有模仿几乎任何类型的太阳能的特殊能力

驱动这些反应的宇宙辐射让他们深入研究行星和卫星表面下的冰的化学性质以及空间中的冰

无序的食谱在一个大约有饭盒大小的真空室中,Gerakines重新创造了一个小补丁在他所有极端情况下,他将空气抽出,直到内部的压力下降到比地球正常水平低十亿倍的水平,然后使室内冷却到零下433华氏度(15开尔文)为了得到冰,剩下的就是为了模拟太阳风粒子和宇宙射线造成的损害,戈达德宇宙冰实验室的科学家用这种Van de Graaff加速器照射冰块高压建筑物在10英尺长的管子(左)中,在远端的光束源(右)达到顶峰信用:美国宇航局当明亮的蒸气分子进入腔室时,它们实际上被冻结在它们的轨道上仍然指向每一个方向,这些分子立即从它们的气态转变成称为无定形冰的无序固体

无定形冰与地球上典型的冰完全相反,形成完美的晶体,就像那些构成雪花或霜针的晶体

这些晶体是如此有序和可预测的这种冰被认为是矿物质,莫氏硬度等级为25,与指甲的等级相同虽然地球上几乎闻所未闻,但无定形冰在星际空间中如此普遍,以至于它可能是最常见的形式宇宙中的水从太阳系诞生的时代遗留下来,它分散在很远的地方,通常是颗粒不大于尘埃粒子它也被发现了彗星和冰冷的卫星Gerakines发现,在实验室里制造无定形冰的秘诀在于将层限制在比蜘蛛丝更薄半微米的深度“水是如此好的绝缘体,如果冰变得太厚,只有样品的底部,更接近冷却源,将保持足够冷,“Gerakines说”顶部的冰将变得足够温暖以结晶“超薄冰可以加入各种有趣的化学物质在太空 Gerakines与之合作的一组化学物质是氨基酸,它们是地球上生命化学中的关键参与者

研究人员花了几十年的时间来确定陨石中的氨基酸全部杂种(包括一些参与生命的),以及取自彗星的样本“并且因为水是星际介质和外太阳系中冷冻物质的主要形式,”Gerakines说,“那里的任何氨基酸都可能在某些时候与水接触”对于他目前的设定在实验中,Gerakines制造了三种冰,每种冰都掺入了一种无定形的氨基酸(甘氨酸,丙氨酸或苯丙氨酸),这种氨基酸可以在蛋白质中找到Gimme避难所

当Gerakines用辐射击中冰时,真正的行动就开始了

研究人员使用紫外线研究了冰化学,而Gerakines则选择观察宇宙辐射,这种辐射可以到达隐藏在行星或月球表面下方的冰上来模仿在他的辐射下,他使用来自高压粒子加速器的质子束,该质子束位于一个带有巨大混凝土墙的地下室内,以确保安全

质子束可在短短半小时内再现一百万年的损坏

通过调整辐射剂量,Gerakines可以将冰处理为暴露或埋在彗星或冰冷的卫星和行星的不同深度的土壤中他测试了三种水加氨基酸冰并将它们与冰进行比较仅在氨基酸之间制造爆炸物,他使用称为光谱学的“分子指纹”技术检查样品,看看氨基酸是否分解并且化学副产物是否正在形成如预期的那样,越来越多的氨基酸分解为辐射剂量加起来但是Gerakines注意到,如果冰包含水,氨基酸的持续时间比它们自己留下的时间要长

这很奇怪,因为当水分解时,它留下的一个碎片是后面是羟基(OH),一种以攻击其他化合物而闻名的化学物质

光谱学确认正在生产一些OH但总的来说,Gerakines说,“水基本上就像一个辐射屏蔽,可能吸收了大量的能量,同样的方式,一层岩石或土壤将“当他在两个更高的温度下重复实验,他惊讶地发现酸性更好从这些初步测量,他和Hudson计算在冰冷的环境中氨基酸可以保持多长时间在一定温度范围内“我们发现一些氨基酸可以在冥王星或火星表面附近的冰层中存活数千万年,并埋藏在至少一厘米(小于半英寸)深处,如彗星外太阳系,“Gerakines说”对于一个像欧罗巴一样受到强烈辐射的地方,他们需要被埋葬几英尺“(这些发现在2012年8月的Icarus杂志上报道)”Th对于探索任务来说,这是一个好消息,“哈德森说,”看起来这些氨基酸实际上比任何人在冥王星,木卫二甚至火星这样的地方都能实现的温度更稳定“宇宙冰实验室是天体化学实验室的一部分在戈达德的太阳系探索部门,部分资金由戈达德天体生物学中心和美国宇航局天体生物学研究所Publicatiom提供:Perry A Gerakines等,“原位测量15-140 K氨基酸的辐射稳定性”,伊卡洛斯,第220卷,第2期,2012年8月,第647-659页; doi:101016 / jicarus201206001资料来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心的伊丽莎白祖布里茨基;美国国家航空航天局图片:美国国家航空航天局/地球观测站,NASA / ARC / P,Jenniskens和DF Blake; NASA

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