هسته‌ی زمین ممکن است مخازن پنهانی از هلیوم را در خود جای داده باشد!

پژوهشگران ژاپنی و تایوانی به کشفی انقلابی دست یافتند و برای نخستین بار نشان دادند که هلیوم، که مدت‌هاست گازی بی‌اثر از نظر شیمیایی تلقی می‌شود، می‌تواند تحت فشار بسیار زیاد با آهن پیوند برقرار کند. آن‌ها با استفاده از سلول سندان الماس لیزری گرم‌شده، این برهم‌کنش غیرمنتظره را مشاهده کردند و این موضوع نشان می‌دهد که مقادیر عظیمی از هلیوم ممکن است در هسته‌ی زمین وجود داشته باشد. این یافته، نظریه‌های دیرینه درباره‌ی ساختار داخلی و تاریخ سیاره را به چالش می‌کشد و می‌تواند بینش‌های جدیدی درباره‌ی سحابی بدوی که منظومه‌ی شمسی ما از آن پدید آمده، ارائه دهد.

فوران‌های آتشفشانی عمدتاً سنگ‌ها و مواد معدنی را آزاد می‌کنند، اما می‌توانند مقادیر کمی از یک گاز نادر به نام هلیوم بدوی را نیز منتشر کنند. برخلاف ایزوتوپ رایج‌تر، هلیوم-۴ (⁴He)، که از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده و به طور مداوم توسط واپاشی رادیواکتیو تولید می‌شود، هلیوم بدوی—هلیوم-۳ (³He)—فقط یک نوترون دارد و در زمین تشکیل نمی‌شود. وجود آن سرنخ‌های ارزشمندی درباره‌ی اعماق داخلی سیاره و ارتباط آن با منشأ کیهانی ارائه می‌دهد.

با توجه به نسبت‌های گاه‌به‌گاه بالای 3He/4He که در سنگ‌های آتشفشانی، به ویژه در هاوایی، یافت می‌شود، پژوهشگران مدت‌هاست بر این باورند که مواد بدوی حاوی 3He در اعماق گوشته وجود دارد. با این حال، هاروکی تاکه زاوا، دانشجوی فارغ‌التحصیل، و اعضای گروه پروفسور کیی هیروسه از بخش علوم زمین و سیاره‌ای دانشگاه توکیو، اکنون با رویکردی جدید به یک آزمایش آشنا—خرد کردن مواد—این دیدگاه را به چالش کشیده‌اند.

شبیه‌سازی شرایط شدید زمین

هیروسه گفت:

من سال‌های زیادی را صرف مطالعه‌ی فرآیندهای زمین‌شناسی و شیمیایی که در اعماق زمین رخ می‌دهند، کرده‌ام. با توجه به دماها و فشارهای شدید موجود، آزمایش‌ها برای بررسی برخی جنبه‌های این محیط باید آن شرایط شدید را بازسازی کنند. بنابراین، ما اغلب به سلول سندان الماس لیزری گرم‌شده متوسل می‌شویم تا چنین فشارهایی را به نمونه‌ها وارد کنیم و نتیجه را ببینیم. در این مورد، ما آهن و هلیوم را با هم تحت فشار حدود 5-55 گیگاپاسکال و در دماهای 1000 کلوین تا نزدیک به 3000 کلوین خرد کردیم. این فشارها تقریباً معادل 50,000-550,000 برابر فشار اتمسفر هستند و دماهای بالاتر استفاده‌شده می‌توانند ایریدیوم، ماده‌ای که اغلب به دلیل مقاومت حرارتی بالای آن در شمع‌های موتور خودرو استفاده می‌شود، را ذوب کنند.

مطالعات قبلی فقط مقادیر کمی از آهن و هلیوم ترکیب‌شده را نشان داده بودند، در حدود هفت قسمت در میلیون هلیوم در آهن. اما در این مورد، آن‌ها شگفت‌زده شدند که ترکیبات آهن خردشده حاوی 3.3 درصد هلیوم، حدود 5000 برابر بیشتر از آنچه قبلاً دیده شده بود، است. هیروسه گمان می‌کند که این امر حداقل تا حدی به دلیل چیز جدیدی در مورد این مجموعه‌ی خاص از آزمایش‌ها است.

او گفت:

هلیوم تمایل دارد در شرایط محیطی بسیار راحت فرار کند؛ همه دیده‌اند که یک بادکنک بادی پژمرده می‌شود و پایین می‌رود. بنابراین، ما نیاز داشتیم راهی برای جلوگیری از این امر هنگام انجام اندازه‌گیری‌هایمان پیدا کنیم. اگرچه ما سنتز مواد را در دماهای بالا انجام دادیم، اما اندازه‌گیری‌های حسگر شیمیایی در دماهای بسیار سرد یا برودتی انجام شد. این روش از فرار هلیوم جلوگیری کرد و به ما امکان داد هلیوم را در آهن شناسایی کنیم.

این یافته پیامدهایی برای درک منشأ زمین دارد. وجود هلیوم در هسته نشان می‌دهد که زمین جوان احتمالاً مقداری گاز از سحابی خورشیدی هیدروژن و هلیوم که منظومه‌ی شمسی اولیه را احاطه کرده بود، جذب کرده است. این همچنین می‌تواند به این معنی باشد که مقداری از آب زمین ممکن است از هیدروژن موجود در این گاز باستانی آمده باشد، که دیدگاه جدیدی در مورد تکامل اولیه‌ی سیاره ارائه می‌دهد.

منبع: Scitechdaily