Физики из Токийского университета обнаружили, что один из самых легких элементов во Вселенной – гелий – способен связываться с железом под высоким давлением, образуя железный гелид. Это открытие означает, что в глубинах ядра Земли, где железо находится в наиболее сжатом состоянии, может существовать резервуар гелия. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters (PRL).
На Земле гелий представлен двумя стабильными изотопами. Гелий-4 — продукт радиоактивного распада урана и тория. Он составляет 99,99986% от всего гелия на планете. Гелий-3 — гораздо более редкий изотоп. Этот изотоп, в основном, является первичным, образовавшимся вскоре после Большого взрыва.
Ранее ученые предполагали, что гелий-3, обнаруживаемый в вулканических газах, мог происходить из древнего резервуара в мантии Земли, захваченного еще при формировании планеты. Однако исследование Харуки Такезавы и его коллег предлагает альтернативный источник – ядро Земли.
Для проверки своей гипотезы ученые использовали лазерно-нагреваемый алмазный пресс, создавая условия, сравнимые с глубинами планеты: давление от пяти до 55 гигапаскалей (что в 50 – 550 тысяч раз превышает атмосферное) и температуры от одной до трех тысяч градусов – достаточно высокие, чтобы расплавить иридий, известный своей термостойкостью.
Ранее считалось, что железо может связывать лишь микроскопические количества гелия – несколько частей на миллион. Однако в новом эксперименте ученые зафиксировали содержание гелия до 3,3% от массы железа, что в пять тысяч раз выше предыдущих данных.
«Гелий легко улетучивается при обычных условиях – каждый видел, как воздушные шары теряют газ. Чтобы избежать потерь, мы проводили химические измерения при низких температурах, что позволило нам зафиксировать его присутствие в железе», – объясняет физик Кэй Хиросэ.
Это открытие меняет представления о внутреннем строении Земли и происхождении гелия-3. Если этот изотоп действительно содержится в ядре, то именно оно, а не нижняя мантия, может быть источником вулканического гелия. Кроме того, исследование предполагает, что аналогичные процессы могли происходить на Луне и Марсе, где ядро также могло улавливать первичный гелий.
Наконец, если гелий был широко распространен в момент формирования Земли, то то же самое могло относиться и к водороду – ключевому элементу для возникновения воды. Это может помочь ученым глубже понять, как формировалась наша планета и откуда взялась вода на ее поверхности.
Будущие исследования помогут проверить эти гипотезы и, возможно, переписать историю эволюции Земли и других планет.
