Исследователи из Японии и Тайваня впервые обнаружили, что гелий, обычно считающийся химически инертным, может соединяться с железом под высоким давлением, для этого ученые использовали нагретую лазером ячейку алмазной наковальни. Это открытие, опубликованное в журнале Physical Review Letters, позволяет предположить, что в ядре Земли может находиться огромное количество гелия, что ставит под сомнение давние представления о внутренней структуре и истории планеты и раскрывает детали туманности, из которой сформировалась наша Солнечная система.
Если вы когда-нибудь видели извержение вулкана и задавались вопросом, что может выходить из него, вы будете правы, если подумаете, что это в основном камни и минералы. Но удивитесь ли вы, узнав, что в них часто встречаются следы так называемого первородного гелия? То есть гелия, который отличается от обычного гелия, или 4He, названного так потому, что он содержит два протона и два нейтрона и постоянно образуется в результате радиоактивного распада. Первобытный гелий, или 3He, напротив, не образуется на Земле и содержит два протона и один нейтрон.
Учитывая высокое соотношение 3He/4He в вулканических породах, особенно на Гавайях, исследователи долгое время считали, что глубоко в мантии есть первозданные материалы, содержащие 3He. Однако Харуки Такезава и члены группы профессора Кеи Хиросе с факультета наук о Земле и планетах Токийского университета опровергли это мнение, проведя новый эксперимент по измельчению предметов.
«Я провел много лет, изучая геологические и химические процессы, происходящие глубоко внутри Земли. Учитывая сильные температуры и давление, эксперименты по изучению некоторых аспектов этой среды должны воспроизводить эти экстремальные условия. Поэтому мы часто используем алмазную наковальню с лазерным нагревом, чтобы создать такое давление на образцы и посмотреть на результат», — говорит Хиросе. «В данном случае мы измельчили железо и гелий под давлением около 5-55 гигапаскалей и при температурах от 1 000 до почти 3 000 кельвинов. Это давление примерно в 50 000-550 000 раз превышает атмосферное, а более высокие температуры могут расплавить иридий — материал, который часто используется в свечах зажигания автомобильных двигателей из-за его высокой термостойкости».
Предыдущие исследования показывали лишь небольшие следы соединения железа и гелия, в районе семи частей на миллион гелия в железе. Но в данном случае ученые были удивлены, обнаружив, что измельченные соединения железа содержат до 3,3% гелия, что примерно в 5000 раз больше, чем наблюдалось ранее. Хиросе подозревает, что это частично связано с чем-то новым в этом конкретном эксперименте.
«Гелий имеет тенденцию очень легко улетучиваться при комнатных условиях; все видели, как надувной воздушный шар сдувается и падает. Поэтому нам нужен был способ избежать этого при проведении измерений», — говорит он. «Хотя мы проводили синтез материалов при высоких температурах, химические измерения проводились при очень низких, или криогенных, температурах. Это позволило предотвратить выделение гелия и обнаружить его в железе».
Это открытие имеет значение для понимания происхождения Земли. Присутствие гелия в ядре говорит о том, что молодая Земля, вероятно, захватила некоторое количество газа из солнечной туманности, состоящей из водорода и гелия, которая окружала раннюю Солнечную систему. Это также может означать, что часть воды на Земле могла образоваться из водорода, содержащегося в этом древнем газе, что позволяет по-новому взглянуть на раннее развитие планеты.
[Фото: ©2025 Hirose et al. CC-BY-ND]
