Sökandet efter liv bortom jorden fokuserar vanligtvis på att först leta efter vatten, grunden för livet som vi känner det. Oavsett om vattnet är en gas, flytande, eller fast, dess närvaro och sammansättning kan berätta för forskare mycket om planeten, måne, komet, eller asteroid på vilken den detekteras och om den skulle kunna försörja liv.

Eftersom det interstellära rymden är så kall och främst är ett vakuum, vattnet vi upptäcker från jorden är vanligtvis i form av amorf is, vilket betyder att dess atomstruktur inte är snyggt arrangerad i ett kristallint gitter som is på jorden. Hur övergången mellan den kristallina och amorfa isfasen sker på isiga kroppar som Europa eller på Kuiperbältsobjekt bortom Pluto, är svårt att studera — om du inte kan härma kylan, mörkt vakuum i yttre rymden, under intensiv strålning, i ett laboratorium.

Det är precis vad forskare från det amerikanska energidepartementets (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) och NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien, arbetar på vid ORNL Spallation Neutron Source (SNS). De sänkte temperaturen på en enkristall safirplatta till 25 K (cirka minus 414 grader Fahrenheit), placerade den i en vakuumkammare, och tillsatte bara några få molekyler åt gången av vatten – i det här fallet, tungt vatten (D2O) – till plattan. Sedan observerade de hur isstrukturen förändrades med varierande temperatur innan den slutligen bildade kristallin is. Teamet planerar därefter att simulera solsystemets isiga kroppar genom att bombardera provet med elektronstrålning för att avgöra hur detta påverkar isstrukturen.

"Experimentet producerade ett lager av amorf is som liknar den is som utgör det mesta av vattnet i hela universum, sa Chris Tulk, ORNL neutronspridningsforskare. "Detta är samma typ av is som kunde ha bildats på de extremt kalla, permanent skuggade områdena av månen, på polarområdena på Jupiters måne Europa, och inom materialet mellan stjärnorna i vår galax, kända som täta molekylära moln. Även om mycket av isen vid det här laget förmodligen har kristalliserat på de varmare kropparna, den färska isen på kallare kroppar och i rymden är sannolikt fortfarande amorf."

Forskarna hoppas kunna svara på frågor som hur mycket av isen på Europas yta, Jupiters näst minsta måne, kan vara amorf is till följd av att ytan bestrålas av laddade partiklar som produceras av Jupiters magnetfält.

"Denna information kan hjälpa oss att bättre tolka vetenskapliga data från rymdfarkosten Europa Clipper och även ge några ledtrådar om hur vattenis utvecklas i olika delar av universum, sa Murthy Gudipati, senior forskare vid JPL. "Med ett lanseringsdatum planerat till 2024, Målet med Europa Clipper-uppdraget är att bedöma Europas beboelighet genom att studera dess atmosfär, yta, och interiör, inklusive flytande vatten under den isiga skorpan som potentiellt kan stödja liv."

Teamets initiala experiment utfördes på Spallation Neutrons and Pressure (SNAP) diffraktometer vid SNS, ett instrument som vanligtvis används för högtrycksexperiment, men som forskarna konfigurerade för att efterlikna lågtrycket, extrem kyla och hög strålningsmiljö i rymden. Framtida experiment kommer att använda oelastisk neutronspridning på VISION-instrumentet för att studera dynamiken hos den amorfa isen när den bildas. Experimenten kommer också att använda elektronbombning för att studera förändringarna i dessa exotiska isformer i en miljö med rymdstrålning.