Ядро Земли может скрывать огромный резервуар первичного гелия

Неожиданное открытие: один из самых легких элементов во Вселенной способен связываться с железом под высоким давлением, образуя гелид железа. Это значит, что мы, возможно, недооценивали химический состав самых глубинных недр нашей планеты.

Дело в том, что гелий может быть “замешан” в ядре, где железо находится в самом сжатом состоянии на Земле (и внутри неё). Более того, команда ученых под руководством физика Харуки Такидзавы из Токийского университета предполагает, что плотное железное сердце нашей планеты может хранить колоссальные запасы первичного гелия.

На Земле гелий существует в виде двух стабильных изотопов. Безусловно, самый распространенный – гелий-4, ядро которого содержит два протона и два нейтрона. Гелий-4 составляет около 99,99986% всего гелия на нашей планете. Другой стабильный изотоп, на долю которого приходится всего около 0,000137% земного гелия, – это гелий-3, с двумя протонами и одним нейтроном.

Гелий-4 – это, в основном, продукт радиоактивного распада урана и тория, образующийся прямо здесь, на Земле. А вот гелий-3 – преимущественно первичный, сформировавшийся в первые мгновения после Большого взрыва, хотя часть его является побочным продуктом радиоактивного распада водорода-3 (трития). Любопытно, что при извержении вулканов в газах, извергаемых из недр Земли, обнаруживаются небольшие количества гелия-3. Это натолкнуло ученых на мысль, что первичный гелий может быть “заперт” в мантии Земли, захваченный из солнечной туманности газа и пыли, из которой и сформировалась наша планета.

Но работа Такидзавы и его коллег предлагает альтернативный источник.

“Я много лет изучал геологические и химические процессы, происходящие глубоко внутри Земли. Учитывая колоссальные температуры и давление, эксперименты по изучению этой среды должны воспроизводить эти экстремальные условия. Поэтому мы часто используем алмазную наковальню с лазерным нагревом, чтобы создать такое давление на образцах и увидеть результат”, – рассказывает физик Кэй Хиросэ из Токийского университета, в лаборатории которого проводились эксперименты.

“В этом случае мы сжали железо и гелий под давлением от 5 до 55 гигапаскалей при температурах от 1000 до почти 3000 Кельвинов. Такое давление примерно в 50 000–550 000 раз превышает атмосферное, а при более высоких температурах плавится даже иридий – материал, который часто используется в свечах зажигания автомобилей из-за его высокой термостойкости.”

Предыдущие исследования показывали, что гелий связывается с железом в ничтожных, следовых количествах – порядка нескольких частей гелия на миллион частей железа.

В своих экспериментах Такидзава и его коллеги зафиксировали соотношение гелия к железу, достигающее 3,3%! Это почти в 5000 раз больше, чем сообщалось ранее – результат, который исследователи объясняют особенностями своего эксперимента.

“Гелий при обычных условиях очень легко улетучивается; каждый видел, как сдувается и опускается надувной шарик. Поэтому нам нужно было найти способ избежать этого при проведении измерений”, – объясняет Хиросэ.

“Хотя синтез материалов мы проводили при высоких температурах, измерения химического состава выполнялись при экстремально низких, криогенных, температурах. Это предотвратило утечку гелия и позволило нам обнаружить его в железе”.

Инертный? Только не в ядре!

Это открытие показывает, что, хотя гелий химически инертен в обычных условиях (то есть не вступает в реакцию с другими элементами), его можно заставить взаимодействовать, если условия доведены до экстремальных значений.

В свою очередь, это может означать, что первичный гелий был поглощен телом Земли еще на стадии формирования планеты, связавшись с железом и “законсервировавшись” в ядре во время формирования планеты. Это также может означать, что первичный гелий захвачен и в ядрах Луны и Марса.

Если это так, то могут быть и другие последствия. Первичный гелий в ядре планеты может быть источником изотопа в вулканических газах, а не резервуар, “запертый” в нижней мантии.

Кстати, гелий – не единственный элемент с первичным изотопом; водород, самый легкий элемент, также существует в первичной форме. Если первичный гелий присутствовал в изобилии во время формирования Земли, то, возможно, и водород тоже, внеся свой вклад в формирование ранних запасов воды на Земле.

Будем надеяться, что будущие исследования позволят глубже изучить эти возможности.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.