Исследователи из Японии и Тайваня продемонстрировали, что гелий, обычно считающийся химически инертным, способен образовывать соединения с железом при высоком давлении. Это открытие может привести к пересмотру устоявшихся представлений о внутренней структуре и истории Земли, а также потенциально раскрыть новые детали о туманности, из которой сформировалась Солнечная система.

Для проведения эксперимента учёные использовали алмазную наковальню с лазерным нагревом. Результаты исследования позволяют предположить, что в ядре Земли могут содержаться значительные количества гелия.

Во время вулканических извержений часто обнаруживаются следы так называемого первичного гелия. Этот изотоп, Гелий-3, отличается от обычного гелия (4He) тем, что содержит два протона и один нейтрон, в то время как обычный гелий имеет два протона и два нейтрона. Гелий-3 не образуется на Земле, в отличие от Гелия-4, который постоянно производится в результате радиоактивного распада.

Учитывая иногда высокое соотношение 3He/4He в вулканических породах, особенно на Гавайях, исследователи долгое время полагали, что в глубинах мантии существуют первичные материалы, содержащие Гелий-3.

Однако аспирант Харуки Такэдзава и члены группы профессора Кэя Хиросэ из Департамента наук о Земле и планетах Токийского университета бросили вызов этому представлению, предложив новый подход к знакомому эксперименту.

«Я много лет изучал геологические и химические процессы, происходящие глубоко внутри Земли. Учитывая интенсивные температуры и давления, действующие там, эксперименты должны воспроизводить эти экстремальные условия. Поэтому мы часто обращаемся к алмазной наковальне с лазерным нагревом, чтобы создать такое давление на образцах и увидеть результат», – пояснил Хиросэ.

В ходе эксперимента учёные подвергли смесь железа и гелия давлению от 5 до 55 гигапаскалей при температурах от 1000 до почти 3000 кельвинов. Эти давления соответствуют примерно 50 000 – 550 000 атмосферным давлениям, а более высокие температуры могли бы расплавить иридий – материал, часто используемый в автомобильных свечах зажигания из-за его высокой термостойкости.

Предыдущие исследования показывали лишь небольшие следы соединений железа и гелия – около семи частей на миллион гелия в железе. Однако в данном случае исследователи были удивлены, обнаружив, что сжатые соединения железа содержали до 3,3% гелия, что примерно в 5000 раз больше, чем наблюдалось ранее. Хиросэ предполагает, что это, по крайней мере частично, связано с новым подходом к проведению экспериментов.

«Гелий легко улетучивается при обычных условиях. Поэтому нам нужен был способ избежать этого при проведении измерений. Хотя мы проводили синтез материалов при высоких температурах, химические измерения проводились при экстремально низких, криогенных температурах. Это предотвратило утечку гелия и позволило нам обнаружить гелий в железе», – отметил он.

Открытие имеет важные последствия для понимания происхождения Земли. Присутствие гелия в ядре предполагает, что молодая Земля, вероятно, захватила некоторое количество газа из солнечной туманности водорода и гелия, окружавшей раннюю Солнечную систему. Это также может означать, что часть земной воды могла образоваться из водорода этого древнего газа, что открывает новую перспективу в понимании раннего развития планеты.