Ядро Землі може приховувати величезний резервуар первісного гелію

Неочікуване відкриття того, що один із найлегших елементів у Всесвіті може зв’язуватися з залізом під високим тиском, утворюючи залізний гелідід, означає, що ми могли неправильно розуміти хімічний склад найглибших надр нашої планети.

Це відкриття свідчить про можливість змішування гелію з ядром Землі, де залізо перебуває в найбільш стисненому стані. Насправді, згідно з дослідженням групи фізиків під керівництвом Харукі Такедзави з Токійського університету, щільне залізне ядро нашої планети може приховувати величезний резервуар первісного гелію.

На Землі гелій існує у двох стабільних ізотопах. Найпоширенішим є гелій-4, ядро якого складається з двох протонів і двох нейтронів. Гелій-4 становить приблизно 99,99986% усього гелію на нашій планеті. Інший стабільний ізотоп, гелій-3, який містить два протони та один нейтрон, становить лише 0,000137% земного гелію.

Шокуюче відкриття гелію може змінити уявлення про формування Землі

Гелій-4 переважно є продуктом радіоактивного розпаду урану та торію, що відбувається на Землі. Натомість гелій-3 здебільшого є первісним і сформувався ще в момент Великого вибуху. Деяка його частина також утворюється внаслідок радіоактивного розпаду тритію (ізотопу водню-3). Цікаво, що під час вивержень вулканів у викидах газів виявляються невеликі кількості гелію-3. Це дало вченим підстави припустити, що у мантії Землі може бути запас первісного гелію, який потрапив туди ще з сонячної туманності, з якої сформувалася наша планета.

Однак дослідження Такедзави та його колег вказує на альтернативне джерело.

«Я багато років досліджую геологічні та хімічні процеси, що відбуваються в надрах Землі. Оскільки в цих умовах панують надзвичайно високі температури і тиск, експерименти повинні імітувати такі екстремальні параметри. Для цього ми використовуємо алмазну ковадлу, нагріту лазером, щоб створити необхідний тиск і перевірити результати», – пояснює фізик Кей Хіросе з Токійського університету, у лабораторії якого проводилися експерименти.

«У цьому випадку ми стиснули залізо та гелій під тиском від 5 до 55 гігапаскалів та температурах від 1000 до майже 3000 кельвінів. Це відповідає тиску, що у 50 000–550 000 разів перевищує атмосферний, а при найвищих температурах можна навіть розплавити іридій – метал, який використовується в автомобільних свічках запалювання через його високу термостійкість».

Гелій-3 у ядрі?

Попередні дослідження показали, що гелій здатний зв’язуватися із залізом у слідових кількостях — у співвідношенні кілька частин гелію на мільйон частин заліза. Однак у своїх експериментах Такедзава та його колеги зафіксували набагато вищий рівень – до 3,3% гелію по відношенню до заліза. Це майже в 5000 разів більше, ніж повідомлялося раніше. Вчені пояснюють цей результат особливостями їхньої методики.

«Гелій дуже легко випаровується в звичайних умовах – кожен бачив, як здувається повітряна куля. Тому нам потрібно було знайти спосіб уникнути втрат гелію під час вимірювань», – розповідає Хіросе.

«Ми синтезували матеріали при високих температурах, але вимірювання проводили при наднизьких – кріогенних – температурах. Це дозволило утримати гелій у зразках і зафіксувати його присутність у залізі».

Наслідки для науки

Ці результати свідчать, що, хоча гелій зазвичай хімічно інертний, за екстремальних умов він може взаємодіяти з іншими елементами. Це може означати, що первісний гелій поглинався залізом під час формування Землі і був «ув’язнений» у її ядрі під час диференціації планети. А отже, подібні процеси могли відбутися і в ядрах Місяця та Марса.

Якщо це так, то, можливо, первісний гелій у газах вулканів походить не з мантії, а безпосередньо з ядра Землі. До того ж гелій – не єдиний елемент із первісними ізотопами. Наприклад, водень також має первісну форму. Це означає, що якщо під час формування Землі в її ядрі був присутній гелій, то, ймовірно, був і водень. А це могло сприяти появі перших водних резервуарів на нашій планеті.

Подальші дослідження мають уточнити ці гіпотези.

Перспективи

Дослідники сподіваються продовжити вивчення цих процесів, щоб визначити точний механізм накопичення первісного гелію в ядрі Землі.

«Якщо ми зможемо краще зрозуміти, як ці процеси працювали в минулому, це може допомогти нам розкрити більше таємниць формування планет, а також їхнього подальшого розвитку», – зазначає Такедзава.

Майбутні дослідження можуть також перевірити, чи можна використовувати деякі з білків або механізмів утворення стародавніх структур у лікуванні захворювань суглобів та регенеративній медицині. Дослідження опубліковано в журналі Physical Review Letters.