Drobné krystaly ukryté v kosmickém ledu by mohly přepsat naše znalosti o vodě a životě

Vědci odhalili skrytou strukturu uvnitř nejběžnějšího ledu ve vesmíru – nalezeného na kometách, měsících planet a mezihvězdném prachu – a zpochybnili tak desetiletí trvající přesvědčení. To, co jsme považovali za beztvarý „amorfní“ led, je ve skutečnosti tvořeno drobnými krystalky, z nichž každý je široký asi jako vlákno DNA. Tyto krystaly by mohly změnit naše chápání vzniku planet, pohybu hmoty napříč galaxiemi a dokonce i teorii, že stavební kameny života se na Zemi dostaly zmrzlé v kometách. Vzhledem k tomu, že laboratorní experimenty i simulace ukazují na tento nečekaný řád, otevírá tento objev znovu otázky týkající se ledu, vody a toho, jak mohl život ve skutečnosti vzniknout.

Objev: Vesmírný led není zcela neuspořádaný
Podle nové studie vědců z UCL (University College London) a University of Cambridge „vesmírný led“ obsahuje drobné krystalky a není, jak se dosud předpokládalo, zcela neuspořádaným materiálem jako kapalná voda.

Led ve vesmíru se liší od krystalické (vysoce uspořádané) formy ledu na Zemi. Po desetiletí vědci předpokládali, že je amorfní (bez struktury), přičemž nižší teploty znamenají, že nemá dostatek energie na to, aby při mrznutí vytvořil krystaly.

V nové studii, publikované v časopise Physical Review B, vědci zkoumali nejběžnější formu ledu ve vesmíru, amorfní led o nízké hustotě, který se vyskytuje jako základní materiál v kometách, na ledových měsících a v oblacích prachu, kde se formují hvězdy a planety.

Krystalická tajemství v „amorfním“ ledu
Zjistili, že počítačové simulace tohoto ledu nejlépe odpovídají měřením z předchozích experimentů, pokud led není zcela amorfní, ale obsahuje drobné krystaly (široké asi tři nanometry, o něco širší než jedno vlákno DNA), které jsou zakotveny v jeho neuspořádaných strukturách.

Při experimentální práci také rekrystalizovali (tj. zahřívali) skutečné vzorky amorfního ledu, který vznikl různými způsoby. Zjistili, že konečná krystalická struktura se liší v závislosti na tom, jak amorfní led vznikl. Pokud byl led zcela amorfní (zcela neuspořádaný), dospěli vědci k závěru, že si nezachová žádný otisk své dřívější formy.

Proč je to pro vesmír důležité
Vedoucí autor Michael B. Davies, který tuto práci uskutečnil v rámci svého doktorátu na UCL Physics & Astronomy a University of Cambridge, řekl: „Nyní máme dobrou představu o tom, jak vypadá nejběžnější forma ledu ve vesmíru na atomární úrovni. To je důležité, protože led se podílí na mnoha kosmologických procesech, například na vzniku planet, vývoji galaxií a pohybu hmoty ve vesmíru.“

Tato zjištění mají také vliv na jednu ze spekulativních teorií o vzniku života na Zemi. Podle této teorie, známé jako panspermie, byly stavební kameny života přeneseny na ledovou kometu, přičemž amorfní led o nízké hustotě byl materiálem kosmického dopravce, v němž byly přeneseny složky, jako jsou jednoduché aminokyseliny.

Krystaly a hádanka panspermie
Davies řekl: „Naše zjištění naznačují, že tento led by byl méně vhodným transportním materiálem pro tyto molekuly původu života. Je to proto, že částečně krystalická struktura má méně prostoru, ve kterém by se tyto složky mohly usadit. Tato teorie by však stále mohla platit, protože v ledu jsou amorfní oblasti, kde by mohly být stavební kameny života zachyceny a uloženy.“

Spoluautor profesor Christoph Salzmann z UCL Chemistry prohlásil: „Led na Zemi je kosmologickou kuriozitou, která je způsobena našimi vysokými teplotami. Jeho uspořádanost je vidět na symetrii sněhové vločky. Led ve zbytku vesmíru byl dlouho považován za snímek tekuté vody – tedy za neuspořádanost pevně daná na místě. Naše zjištění ukazují, že to není zcela pravda.“

Zmrazení virtuální vody: Počítačové simulace
Pro studii použili vědci dva počítačové modely vody. Tyto virtuální „krabice“ s molekulami vody zmrazili různou rychlostí ochlazení na -120 stupňů Celsia. Různé rychlosti ochlazování vedly k různým poměrům krystalického a amorfního ledu.

Zjistili, že led, který byl až z 20 % krystalický (a z 80 % amorfní), se zdá být věrný struktuře amorfního ledu s nízkou hustotou, jaká byla zjištěna při rentgenových difrakčních studiích (tj. při nichž vědci střílejí do ledu rentgenové paprsky a analyzují, jak se tyto paprsky odrážejí).

Pomocí jiného přístupu vytvořili velké „krabice“ s mnoha malými krystalky ledu těsně namačkanými na sebe. Simulace pak narušila uspořádání oblastí mezi ledovými krystaly a dosáhla velmi podobných struktur ve srovnání s prvním přístupem s 25 % krystalického ledu.

Experimentální potvrzení ze skutečných vzorků ledu
V rámci dalších experimentů výzkumný tým vytvořil skutečné vzorky amorfního ledu s nízkou hustotou různými způsoby, od nanášení vodní páry na extrémně chladný povrch (způsob, jakým se tvoří led na prachových zrnech v mezihvězdných mračnech) až po zahřívání tzv. amorfního ledu s vysokou hustotou (led, který byl rozdrcen při extrémně nízkých teplotách).

Tým pak tyto amorfní ledy jemně zahříval, aby měly energii na tvorbu krystalů. Všimli si rozdílů ve struktuře ledů v závislosti na jejich původu – konkrétně se lišil podíl molekul vytvořených v šestinásobném (hexagonálním) uspořádání.

To byl podle nich nepřímý důkaz, že amorfní led o nízké hustotě obsahuje krystaly. Došli k závěru, že pokud by byl led zcela neuspořádaný, nezachoval by si žádnou paměť na své dřívější formy.

Více otázek než odpovědí o vesmírném ledu
Výzkumný tým uvedl, že jejich zjištění vyvolávají mnoho dalších otázek o povaze amorfního ledu – například zda se velikost krystalů liší v závislosti na tom, jak amorfní led vzniká, a zda je možný skutečně amorfní led.

Amorfní led byl poprvé objeven ve své nízkohustotní formě ve 30. letech 20. století, kdy vědci zkondenzovali vodní páru na kovovém povrchu ochlazeném na -110 stupňů Celsia. Jeho vysoká hustota byla objevena v 80. letech 20. století, kdy byl obyčejný led stlačen při teplotě téměř -200 stupňů Celsia.

Výzkumný tým, který stojí za nejnovější prací a který působí jak na UCL, tak na univerzitě v Cambridge, objevil amorfní led střední hustoty v roce 2023. Bylo zjištěno, že tento led má stejnou hustotu jako kapalná voda (a proto by se ve vodě ani nepotopil, ani neplaval).

Tajemství vody se možná skrývá v ledu
Spoluautor profesor Angelos Michaelides z University of Cambridge uvedl: „Voda je základem života, ale stále jí plně nerozumíme. Amorfní ledy mohou být klíčem k vysvětlení některých z mnoha anomálií vody."

Davies řekl: „Led je potenciálně vysoce výkonný materiál ve vesmíru. Mohl by chránit kosmické lodě před radiací nebo poskytovat palivo ve formě vodíku a kyslíku. Proto potřebujeme znát jeho různé formy a vlastnosti.“

Zdroj: https://scitechdaily.com/tiny-crystals-hidden-in-cosmic-ice-could-rewrite-what-we-know-about-water-and-life/ a https://www.ucl.ac.uk/news/2025/jul/space-ice-less-water-we-thought

autor: František Martinek