天文学者にとって、「宇宙の氷」の謎、つまりその分子構造と形成過程を調査することは、地球外の地質学だけでなく、地球外生命体の存在の可能性を理解する鍵となる可能性がある。
月曜日にPhysical Review B誌に掲載された研究で、イギリスの研究者らは、「宇宙の氷」は内部に無数の微細な結晶を含む可能性があり、天文学者がこれまで考えていたよりも液体らしくないという報告をしている。少なくとも、コンピューターシミュレーションと実験の再現によると、そうである。この発見は、深宇宙の極寒の広大な宇宙における氷の挙動に関する私たちの理解を刷新し、惑星形成、彗星の化学、さらには生命の起源に関する理論に影響を与える可能性がある。
「宇宙で最も一般的な氷が原子レベルでどのような形をしているのか、私たちは今やよく理解しています」と、英国ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン（UCL）の物理学者で、この研究の筆頭著者であるマイケル・B・デイヴィス氏は声明で述べた。「これは重要なことです。氷は、例えば惑星の形成、銀河の進化、そして物質が宇宙を巡る動きなど、多くの宇宙論的プロセスに関わっているからです。」
言うまでもなく、宇宙は地球上の氷が見られる場所、例えば冷凍庫や南極大陸とは全く異なります。ほぼ真空状態にある宇宙では、気温は信じられないほど高温になることもあれば、極寒になることもあります。そのため、天文学者にとって、宇宙の氷は地球上で見られるような整然としたハニカム状の結晶を形成するのに十分なエネルギーを持たないだろうと考える方が理にかなっています。むしろ、変動する条件によって、理論上は奇妙で抽象的な形状が生まれるはずです。
新たな研究は、低密度の非晶質氷（宇宙で最も一般的な形態）については逆の現象を示唆することで、この仮説に異議を唱えるものです。低密度の非晶質氷は、彗星、氷の衛星、若い恒星や惑星の近くの塵の雲などで典型的に見られます。研究チームは、氷が形成されたと考えられる温度条件を模倣した複数のモデルを作成し、その結果を実際の氷サンプルの過去の測定で得られた利用可能なX線データと比較しました。
驚いたことに、最もよく一致したのは、氷の中にある程度のナノ結晶組織（DNA一本鎖よりわずかに幅の広い小さな結晶）が埋め込まれているというモデルだった。これは、宇宙の氷は完全に非晶質、つまり明確な形がないという長年の考えに反する。
研究者たちは、この研究結果を検証するため、様々な方法で形成された非晶質氷の実サンプルのリバースエンジニアリングも試み、それぞれの結晶がどのように形成されたかを明確に「記憶」していることを発見した。これは、氷結晶に何らかの初期構造が存在した場合にのみ可能になると、研究者たちは論文の中で結論づけている。
「宇宙の他の部分の氷は、長い間、液体の水のスナップショット、つまり、無秩序な配列が固定された状態だと考えられてきました」と、ロンドン大学ユニバーシティ・カレッジ（UCL）の化学者で共著者のクリストフ・ザルツマン氏は声明の中で説明した。「私たちの研究結果は、これが完全に真実ではないことを示しています。」
研究チームは、これらの新たな知見が、理論家、実験家、そしてエンジニアにとって、将来の宇宙研究に役立つことを期待しています。例えば、宇宙の氷がどのように形成されるかをより深く理解することで、氷の衛星や彗星の気候モデルの改訂に役立つ可能性があります。 また、水そのものに対する理解を深める可能性もあると、研究共著者のアンジェロス・ミカエリデス氏は声明で述べています。英国ケンブリッジ大学の化学者であるミカエリデス氏は、「[非晶質]氷は、水に見られる多くの異常現象のいくつかを説明する鍵となる可能性がある」と付け加えました。
より実用的な用途では、宇宙氷の奇妙な性質は「宇宙における潜在的に高性能な材料」として有用となる可能性があるとデイヴィス氏は述べた。「宇宙船を放射線から守ったり、水素と酸素の形で燃料を供給したりできる可能性があります。ですから、私たちは宇宙氷の様々な形態と特性について知る必要があるのです。」
