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为探究水冰与氧的相互作用及辐射分解氧的去向问题，研究人员开展了木星冰卫星中高压氧水合物的研究。结果发现氧水合物在 2.6 GPa 下稳定，还找到三种高压相。这对理解冰卫星内部成分、化学过程及宜居性有重要意义。
在浩瀚的太阳系中，木星的冰卫星如木卫二（Europa）和木卫三（Ganymede）充满了神秘色彩。这些冰卫星拥有稀薄的氧气大气层，表面冰层中也存在着与氧相关的光谱特征。科学家们知道，这些氧气来源于水的辐射分解，高能辐射作用于冰卫星表面的水，使其分解为氧气和氢气，由于氢气较轻，会优先散失到太空中，从而使冰卫星的大气层富含氧气。
然而，目前关于辐射分解氧的命运，科学界还存在诸多疑问。水冰与氧之间的相互作用存在不确定性，这阻碍了人们对辐射分解氧去向的理解。例如，从木卫三表面获取的光谱显示，其吸收特征强度远超大气密度所能产生的强度，而且表面温度高于氧气沸点，这表明月球表面冰层中可能存在高密度的氧气，但具体情况尚不明确。另外，关于冰卫星内部高压环境下，含氧冰能深入到何种程度，以及氧 - 水系统在高压下会形成何种结构，这些问题都亟待解决。
为了揭开这些谜团，来自美国 SLAC 国家加速器实验室（High Energy Density Sciences Division, SLAC National Accelerator Laboratory）和英国爱丁堡大学（Centre for Science at Extreme Conditions, University of Edinburgh）等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Communications Chemistry》上，为我们理解冰卫星的奥秘提供了重要线索。
研究人员使用了多种关键技术方法来开展研究。在实验中，他们运用金刚石对顶砧（Diamond Anvil Cells）来产生高压环境，利用同步辐射粉末 X 射线衍射（Synchrotron Powder X - ray Diffraction）和拉曼光谱（Raman Spectroscopy）对样品进行探测分析。通过这些技术，他们在与冰卫星内部相关的压力和温度范围内，对氧 - 水系统进行了全面研究。
研究结果主要有以下几个方面：
- 氧水合物的稳定性：研究发现，氧水合物在环境温度下，能稳定存在于 2.6 GPa 的高压环境中。这意味着含氧冰可以深入冰卫星内部，无论是在推测的地下液态水海洋之上还是之下。这一发现对于理解冰卫星内部的物质构成具有重要意义。
- 新的高压相：除了已知的低压 CS-II 笼形水合物结构，研究人员在压缩过程中还发现了三种高压相，分别是 ST 笼形水合物（ST Clathrate）、Co结构水合物（Co Hydrate）和与甲烷水合物 III 同构的填充冰（Filled Ice Isomorphous with Methane Hydrate III，MH-III）。这些新相的发现，极大地拓展了人们对氧 - 水系统高压行为的认识。
- CS-II 笼形水合物的结构特征：在低压下，CS-II 笼形水合物具有独特的结构，其由两种不同类型的笼组成，但O2 guest 分子却产生了三种振动模式。随着压力增加，较大笼的多重占有率增加，较小笼的平均占有率为 0.85 O2/ 笼且对压力不敏感。这一结构特征的发现，有助于深入理解笼形水合物的形成机制。
- 低温行为：在 66 K（代表木星卫星表面温度）下对氧 - 水系统进行压缩研究时发现，低于 1.44 GPa 时，氧振动拉曼特征为双峰且比纯氧软，对应 CS-II 笼形水合物；高于 1.87 GPa，特征变得极宽且对称，压力增加至 10.37 GPa 时与纯氧位置相同，这可能是由于压力导致笼形水合物的坍塌和非晶化。
在研究结论和讨论部分，该研究具有多方面的重要意义。首先，氧水合物的高压稳定性以及新发现的高压相，表明冰卫星有巨大的储存分子氧的潜力，这对冰卫星的内部成分、化学过程以及宜居性都有重要影响。例如，木卫二内部压力较低，CS-II 氧水合物随压力适度增加而热稳定性增强，这意味着氧水合物可能存在于木卫二冰层深处。其次，氧和氢在高压水合物中具有一些相似的结构基序，都能形成 CS-II 和Co相，这可以解释为什么木卫二上预测的氧生成速率比 “朱诺” 号探测器测量的值高得多。因为表面冰中由水辐射分解产生的分子氢和氧可能被宿主水晶格紧密结合，从而增强了它们重新结合成水的速率。最后，与其他冰卫星（如土卫六，Titan）相比，不同冰卫星因主要成分不同（土卫六以甲烷为主，而木卫二等冰卫星氧含量相对较高），其内部发生的化学过程也截然不同，这对冰卫星的天体生物学潜力产生了影响。
综上所述，这项研究为我们深入了解木星冰卫星中氧的行为和作用提供了关键信息，不仅解决了一些长期存在的科学问题，还为未来对冰卫星的研究开辟了新的方向。
