科学家发现地球核心可能蕴藏着大量与铁结合的氦

研究人员发现，氦可以在极端压力下与铁结合，这表明地球核心中存在大量氦储量。这挑战了现有的行星形成模型，并暗示地球早期捕获了太阳星云气体。惰性氦可以与铁形成键的发现可能会重塑我们对地球历史的理解。

日本和台湾的研究人员取得了突破性发现，首次证明长期以来被认为是化学惰性的氦可以在极端压力下与铁结合。他们使用激光加热的金刚石压砧观察到了这种意想不到的相互作用，这表明地球核心中可能存在大量氦。这一发现挑战了长期以来关于地球内部结构和历史的理论，并可能为了解太阳系起源的原始星云提供新的见解。

火山喷发主要释放岩石和矿物，但也会释放出一种名为原始氦的稀有气体。与更常见的同位素氦-4（⁴He）不同，原始氦——氦-3（³He）只含有一个中子，并非在地球上形成。氦-4（⁴He）由两个质子和两个中子组成，并通过放射性衰变不断产生。原始氦——氦-3（³He）——只含有一个中子，并非在地球上形成。它的存在为了解地球深层内部及其与宇宙起源的联系提供了宝贵的线索。

钻石砧在模拟地球内部的条件下将铁和氦压碎，形成一种新的化合物。当压力降低时，这些化合物仍保持稳定。进一步的分析证实了氦融入了铁的晶格。图片来源：2025 Hirose 等人。CC-BY-ND

由于火山岩中偶尔会发现较高的3 He/ 4 He 比值，尤其是在夏威夷，研究人员长期以来一直认为地幔深处存在含有3 He 的原始物质。然而，东京大学地球与行星科学系的研究生 Haruki Takezawa 和 Kei Hirose 教授小组的成员现在用一种熟悉的实验——粉碎物体——的新方法挑战了这种观点。

“我花了很多年研究地球深处的地质和化学过程。鉴于极端的温度和压力，探索这种环境某些方面的实验必须复制这些极端条件。因此，我们经常使用激光加热的金刚石压砧对样品施加这样的压力来观察结果，”Hirose 说。“在这种情况下，我们在约 5-55 千兆帕斯卡的压力和 1000 开尔文至近 3000 开尔文的温度下将铁和氦一起粉碎。这些压力相当于大约 50000-550000 倍大气压，使用的较高温度可能会熔化铱，铱是一种常用于汽车发动机火花塞的材料，因为它具有高耐热性。”

这张使用二次离子质谱技术制作的人工彩色图像显示了铁样品在高温高压下的状态。它大约有 50 微米宽，100 微米长，大约相当于人类头发的宽度。图片来源：2025 Hirose 等人。CC-BY-ND

先前的研究仅显示铁和氦的结合痕迹很少，铁中氦的含量约为百万分之七。但在这种情况下，他们惊讶地发现粉碎的铁化合物中氦的含量高达 3.3%，比之前发现的含量高出约 5，000 倍。Hirose 怀疑这至少部分归因于这组特殊的实验的一些新奇之处。

“氦气在环境条件下很容易逸出；每个人都见过充气气球枯萎下沉。因此，我们需要一种方法来避免测量时出现这种情况，”他说。“虽然我们在高温下进行了材料合成，但化学传感测量是在极冷或低温下进行的。这种方法可以防止氦气逸出，让我们能够检测到铁中的氦气。”

这一发现对理解地球的起源具有重要意义。地核中氦的存在表明，年轻的地球可能从环绕早期太阳系的氢和氦太阳星云中捕获了一些气体。这也可能意味着地球上的一些水可能来自这种古老气体中的氢，这为了解地球的早期发展提供了一个新的视角。

编译自/ScitechDaily