氦和鐵可以在地心溫度和壓力的作用下混合，該發(fā)現(xiàn)可能會(huì)解決“地球是如何形成的”這一長(zhǎng)期爭(zhēng)論。（圖片來源：尤里·艾庫斯_蓋帝圖像）

新的研究表明，太陽系誕生之初的原始氦氣可能被卡在地核內(nèi)，這些發(fā)現(xiàn)可能會(huì)對(duì)“我們的星球形成得多快”這一被長(zhǎng)期爭(zhēng)論的問題產(chǎn)生影響。

這種罕見形式的氦被稱為氦-3，因?yàn)樗脑雍酥杏袃蓚€(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子。普通氦，比氦-3常見700,000倍，有兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子，被稱為氦-4。氦-4是放射性元素衰變的常見產(chǎn)物，而氦-3幾乎完全來自形成太陽系的原始?jí)m埃和氣體云。

我們已經(jīng)知道這種原始元素存在于地球內(nèi)部，每年大約有4.4磅（2千克）的氦-3從地殼正在分裂的洋中脊以及從深地幔挖掘巖漿的火山熱點(diǎn)中泄漏出來。但它究竟是如何在地球內(nèi)停留了數(shù)十億年？這依舊是一個(gè)謎。

氦氣是一種非常輕的氣體，大多數(shù)揮發(fā)性氣體早已逃脫地幔，在形成月球的巨大撞擊中被吹走，或隨著板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)被攪動(dòng)到地表。

科學(xué)家們推測(cè)，也許這種原始氦被鎖在了地心中，在那里它會(huì)免受重大干擾的影響，并在非常緩慢地泄漏到地表。但地核的主要成分是鐵，氦氣和鐵通常不會(huì)混合。

在一項(xiàng)新研究中，東京大學(xué)行星科學(xué)家廣瀨圭和他的同事發(fā)現(xiàn)，在預(yù)測(cè)的核心溫度和壓力下，這兩種元素確實(shí)會(huì)混合。研究人員在《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上報(bào)告說，高溫高壓下的固體鐵中可能含有高達(dá)3.3%的氦氣。

研究人員通過將鐵和氦氣加熱到1,340至4,940華氏度（727至2,727攝氏度，或1,000至3,000凱爾文）之間，同時(shí)用金剛石尖端砧將這些元素壓縮到地球表面壓力的50,000至550,000倍，從而發(fā)現(xiàn)了這種相容性。然后，他們?cè)诘蜏叵聦?duì)樣品進(jìn)行減壓并測(cè)量其晶體結(jié)構(gòu)。廣瀨在一份聲明中說，這種方法可能阻止了氦氣在測(cè)量階段的逸出。

這張用二次離子質(zhì)譜技術(shù)制作的人工著色圖像顯示了鐵樣品在高溫和高壓之后的狀態(tài)，它大約只有人類頭發(fā)的寬度。（圖片來源：?2025廣瀨，等。署名-禁止演繹許可協(xié)議）

新墨西哥大學(xué)地球物理學(xué)家彼得·奧爾森說，研究人員在實(shí)驗(yàn)中使用了普通的氦-4，但氦-3的變化可能更有說服力，奧爾森并沒有參與這項(xiàng)研究，但其研究方向是地核。奧爾森告訴美國生命科學(xué)網(wǎng)，研究結(jié)果證實(shí)，氦氣可以長(zhǎng)時(shí)間鎖定在地球的固體內(nèi)核中，但他提醒說，只有4%的地心是固體。

“這很重要，因?yàn)樗砻骱饪梢耘c地心的固體部分相容，”奧爾森說?！暗捎诘匦拇蟛糠质且簯B(tài)的，因此還有更多的工作要做，以證明相同的解釋可以應(yīng)用于液體部分?！?/p>

奧爾森說，弄清楚氦-3在地球形成過程中是如何融入地核的，對(duì)于了解地球何時(shí)形成非常重要。氦氣等輕氣體在形成太陽系的氣塵星云中只徘徊了幾百萬年。

“關(guān)于地球形成需要多長(zhǎng)時(shí)間，人們一直爭(zhēng)論不休，”奧爾森說?！斑€有其他發(fā)現(xiàn)說地球形成得非常緩慢，需要1億年。但如果地球形成得那么慢，你就不會(huì)在地球深處發(fā)現(xiàn)太多的氦氣了。”

換句話說，如果科學(xué)家能夠證明地核中含有大量的氦-3，那么它將有力表明地球形成得很快，從而解決了關(guān)于太陽系誕生的長(zhǎng)期爭(zhēng)論。

相關(guān)知識(shí)

太陽系是由太陽和受到它引力束縛而圍繞著它公轉(zhuǎn)的天體組成的行星系統(tǒng)。太陽系大約形成于46億年前，當(dāng)時(shí)一個(gè)分子云的密集區(qū)域坍塌，形成了太陽和原行星盤。太陽是一顆典型的主序恒星，通過在其核心處的氫聚變成氦的核聚變來保持流體靜力平衡，并從其外層的光球?qū)俞尫懦鲞@種能量。天文學(xué)家將其歸類為G型主序星。

BY:Stephanie Pappas

FY:李木

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