太空中首次发现奇怪的“悬空冰”

Chamaeleon I 恒星形成星云中这种不寻常形式的冰的存在完成了 20 世纪 90 年代开始的探索，并可以提高我们对原行星盘如何形成的理解。

Chamaeleon I 暗分子云的 JWST 图像。原恒星 Ced 110 IRS 4 在红外线中照亮了冰冷、纤细的云物质；光谱揭示了该区域的内容。

图片来源：NASA/ESA/CSA

詹姆斯韦伯太空望远镜凝视 Chamaeleon I（被称为恒星育婴室的空间的一部分），探测到了仅部分结合在内部的水分子的冰的光谱。被称为“悬空 OH”，这表明存在未与其所有邻居结合的水分子，当冰不纯或多孔时可能会发生这种情况。

据城市民间传说，因纽特语有数十个冰和雪的名称，反映出它们在使用者的生活中无处不在。这种说法可能不正确，但科学家们已经对许多不同类型的水冰进行了分类，奇怪的 H2O 分子的排列方式多种多样。其中一些特征已在地球之外被发现。 

当冰以非常小的规模形成粗糙表面并且某些分子与少于最多四个邻居键合时，就会出现一种冰类型，称为“悬空 OH”，因为潜在的键处于悬挂状态。当水位于由 H2O 和其他分子混合而成的冰表面时，最常出现悬空 OH。这种冰是在实验室中制造的，天文学家可以观察光线穿过它时产生的光谱。自 20 世纪 90 年代以来，人们一直在用望远镜寻找相同的光谱，但 JWST 才找到它。

从悬挂的 OH 冰中找到信号总是很困难，因为它产生的光谱的独特部分很大程度上被我们的大气层阻挡了。 JWST 之前的红外空间望远镜显然缺乏寻找例子的灵敏度和分辨率。

尽管如此，天文学家仍然坚持这一观点，因为悬空冰的存在表明存在高度多孔的“蓬松”冰粒，而这些冰粒被认为在行星形成过程中发挥着关键作用。 Chamaeleon I 的 JWST 拍摄的光谱揭示了波长 2.703 和 2.753μm 处的吸收线 - 先前在多个位置识别出悬空 OH 的特征。

这一发现背后的团队怀疑 2.703 μm 线是由几乎纯净的水冰颗粒上的水滴产生的，而 2.753μm 线则来自含有大量杂质的冰，可能是冷冻的一氧化碳或二氧化碳。

马克斯普拉克研究所的芭芭拉·米凯拉·朱利亚诺博士在一份声明中表示：“冰幔中水悬键特征的检测证明了实验室天体物理学对于解释 JWST 数据的重要性”。  “有关观测到的冰的物理特性的详细信息仍然需要实验室的广泛支持，以解开在星际介质和原行星盘的密集区域内观测到的光谱特性。 ”

“JWST 的高灵敏度，加上实验室天体物理学的令人印象深刻的进步，最终使我们能够详细研究星际冰的物理结构和化学成分，”保拉·卡塞利教授说。 “这对于为化学/动力学模型提供严格的约束至关重要，需要重建我们的天体化学历史，从星际云到原行星盘，再到像我们这样的恒星系统。能够成为这项努力的一部分是令人兴奋的。 ”

蓬松的冰粒允许更大范围的分子附着在其表面，因此在任何行星形成之前很久就发生了更复杂的化学反应。这与化学物质光谱的发现是一致的，这些化学物质的复杂性有时令人惊讶。通过确认悬空 OH 的存在以及 Chamaeleon I 中蓬松颗粒的存在，朱利亚诺、卡塞利和合著者提供了一个关键特征，可以将其纳入原行星盘演化模型中。

取得突破后，作者希望进一步探索悬空 OH 存在和未观察到的模式，并通过波长的细微差异追踪不同类型。

该研究发表在《自然天文学》杂志上。