地核可能隱藏著一個巨大的原始氦庫

宇宙中最輕的元素之一可以在高壓下與鐵結(jié)合形成鐵螺旋體，這一意外發(fā)現(xiàn)意味著我們可能誤解了構(gòu)成地球最深處的化學成分。

這是因為這意味著氦可能會在地核中混合，而鐵在地球上或地球上處于最高壓力狀態(tài)。事實上，根據(jù)東京大學物理學家 Haruki Takezawa 領導的一個團隊的說法，我們星球上致密的鐵心可能隱藏著大量的原始氦。

在地球上，氦有兩種穩(wěn)定的同位素。到目前為止，最常見的是氦-4，其原子核包含兩個質(zhì)子和兩個中子。

氦 4 約占地球上所有元素的 99.99986%。另一種穩(wěn)定同位素是氦-3，僅占地球氦的 0.000137% 左右，具有兩個質(zhì)子和一個中子。

氦 4 主要是鈾和釷放射性衰變的產(chǎn)物，就在地球上制造。相比之下，氦-3 主要是原始的，在宇宙大爆炸后的片刻，盡管一部分是氫 3 或氚放射性衰變的副產(chǎn)品。

有趣的是，當火山噴發(fā)時，在從地下深處噴出的氣體中檢測到少量的氦-3，這讓科學家們假設可能有原始的氦被困在地球的地幔中，并被捕獲來自太陽星云我們的星球就是由氣體和塵埃形成的。

Takezawa 和他的同事的工作提出了另一種來源。

“我花了很多年時間研究地球深處發(fā)生的地質(zhì)和化學過程。鑒于高溫和壓力的作用，探索這種環(huán)境某些方面的實驗必須復制這些極端條件。因此，我們經(jīng)常求助于激光加熱的金剛石砧池，對樣品施加如此的壓力才能看到結(jié)果。物理學家 Kei Hirose 說東京大學的實驗室進行了實驗。

“在這種情況下，我們在大約 5-55 吉帕的壓力下，在 1,000 開爾文到近 3,000 開爾文的溫度下將鐵和氦一起粉碎。這些壓力相當于大約 50,000-550,000 倍大氣壓，使用的較高溫度可能會熔化銥，這種材料由于其高熱阻而經(jīng)常用于汽車發(fā)動機火花塞。

以前的研究表明氦與鐵的結(jié)合量非常微小，微量，大約在幾份氦氣到一百萬份鐵的范圍內(nèi)。

在他們的實驗中，Takezawa 和他的同事報告說，氦與鐵的比例高達 3.3%。這比以前報道的要高出近 5,000 倍——研究人員將這一結(jié)果歸因于他們的實驗設計。

“氦氣在環(huán)境條件下很容易逸出;每個人都見過充氣氣球枯萎和沉沒。因此，我們需要一種方法來避免在進行測量時出現(xiàn)這種情況。廣瀨解釋說.

“雖然我們在高溫下進行材料合成，但化學傳感測量是在極冷或低溫下進行的。這種方式可以防止氦氣逸出，并使我們能夠檢測鐵中的氦。

該發(fā)現(xiàn)表明，盡管氦在化學上是惰性在環(huán)境條件下 – 也就是說，它不會與其他元素發(fā)生反應 – 當條件被推到更極端的水平時，它可以被誘導相互作用。

反過來，這可能意味著原始氦在行星形成時被吸收到地球體內(nèi)，與鐵結(jié)合并在行星分化過程中被封存在核心中。這也可能意味著原始氦被捕獲在月亮和火星太。

如果是這種情況，則可能還有其他影響。行星核心中的原始氦可能是火山氣體中同位素的來源，而不是被困在下地幔中的儲層。

氦也不是唯一具有原始同位素的元素;氫是最輕的元素，也以原始形式存在。如果原始氦在地球形成過程中大量存在，那么氫也可能如此，為地球的早期水做出了貢獻。

希望未來的工作將進一步調(diào)查這些可能性。

該研究已發(fā)表在物理評論信.

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