太阳系诞生时产生的“原始”氦气可能卡在地核中

氦和铁可以在地心温度和压力的作用下混合，该发现可能会解决“地球是如何形成的”这一长期争论。（图片来源：尤里·艾库斯_盖帝图像）

新的研究表明，太阳系诞生之初的原始氦气可能被卡在地核内，这些发现可能会对“我们的星球形成得多快”这一被长期争论的问题产生影响。

这种罕见形式的氦被称为氦-3，因为它的原子核中有两个质子和一个中子。普通氦，比氦-3常见700,000倍，有两个质子和两个中子，被称为氦-4。氦-4是放射性元素衰变的常见产物，而氦-3几乎完全来自形成太阳系的原始尘埃和气体云。

我们已经知道这种原始元素存在于地球内部，每年大约有4.4磅（2千克）的氦-3从地壳正在分裂的洋中脊以及从深地幔挖掘岩浆的火山热点中泄漏出来。但它究竟是如何在地球内停留了数十亿年？这依旧是一个谜。

氦气是一种非常轻的气体，大多数挥发性气体早已逃脱地幔，在形成月球的巨大撞击中被吹走，或随着板块构造运动被搅动到地表。

科学家们推测，也许这种原始氦被锁在了地心中，在那里它会免受重大干扰的影响，并在非常缓慢地泄漏到地表。但地核的主要成分是铁，氦气和铁通常不会混合。

在一项新研究中，东京大学行星科学家广濑圭和他的同事发现，在预测的核心温度和压力下，这两种元素确实会混合。研究人员在《物理评论快报》杂志上报告说，高温高压下的固体铁中可能含有高达3.3%的氦气。

研究人员通过将铁和氦气加热到1,340至4,940华氏度（727至2,727摄氏度，或1,000至3,000凯尔文）之间，同时用金刚石尖端砧将这些元素压缩到地球表面压力的50,000至550,000倍，从而发现了这种相容性。然后，他们在低温下对样品进行减压并测量其晶体结构。广濑在一份声明中说，这种方法可能阻止了氦气在测量阶段的逸出。

这张用二次离子质谱技术制作的人工着色图像显示了铁样品在高温和高压之后的状态，它大约只有人类头发的宽度。（图片来源：©2025广濑，等。署名-禁止演绎许可协议）

新墨西哥大学地球物理学家彼得·奥尔森说，研究人员在实验中使用了普通的氦-4，但氦-3的变化可能更有说服力，奥尔森并没有参与这项研究，但其研究方向是地核。奥尔森告诉美国生命科学网，研究结果证实，氦气可以长时间锁定在地球的固体内核中，但他提醒说，只有4%的地心是固体。

“这很重要，因为它表明氦气可以与地心的固体部分相容，”奥尔森说。“但由于地心大部分是液态的，因此还有更多的工作要做，以证明相同的解释可以应用于液体部分。”

奥尔森说，弄清楚氦-3在地球形成过程中是如何融入地核的，对于了解地球何时形成非常重要。氦气等轻气体在形成太阳系的气尘星云中只徘徊了几百万年。

“关于地球形成需要多长时间，人们一直争论不休，”奥尔森说。“还有其他发现说地球形成得非常缓慢，需要1亿年。但如果地球形成得那么慢，你就不会在地球深处发现太多的氦气了。”

换句话说，如果科学家能够证明地核中含有大量的氦-3，那么它将有力表明地球形成得很快，从而解决了关于太阳系诞生的长期争论。

相关知识

太阳系是由太阳和受到它引力束缚而围绕着它公转的天体组成的行星系统。太阳系大约形成于46亿年前，当时一个分子云的密集区域坍塌，形成了太阳和原行星盘。太阳是一颗典型的主序恒星，通过在其核心处的氢聚变成氦的核聚变来保持流体静力平衡，并从其外层的光球层释放出这种能量。天文学家将其归类为G型主序星。

BY:Stephanie Pappas

FY:李木

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