هسته زمین احتمالا دربردارنده مخزنی عظیم از هلیوم آغازین است

هسته زمین ممکن است منبعی پنهان از هلیوم آغازین داشته باشد که احتمالا از شکل‌گیری سیاره‌مان به جا مانده است.

این کشف غافلگیر‌کننده که هلیوم، یکی از سبک‌ترین عنصرهای کیهان می‌تواند تحت فشار بالا به آهن متصل شود و هلید آهن را تشکیل دهد، به این معنی است که احتمالا فرآیندهای شیمیایی اعماق سیاره‌مان را به‌درستی درک نکرده‌ایم.

دلیل فرآیند یادشده این است که هلیوم می‌تواند در هسته، جایی که آهن در پرفشارترین حالت خود قرار دارد، مخلوط شود. بنابراین به گفته‌ی گروهی از پژوهشگرها به سرپرستی هاروکی تاکزاوا، فیزیکدان از دانشگاه توکیو، قلب متراکم آهن سیاره ما ممکن است مخزن بزرگی از هلیوم آغازین را در خود جای داده باشد.

در زمین، هلیوم در دو ایزوتوپ پایدار وجود دارد. تا حد زیادی هلیوم ۴ رایج‌ترین ایزوتوپ است که هسته‌ای حاوی دو پروتون و دو نوترون دارد. هلیوم ۴ حدود ۹۹٫۹۹۹۸۶ درصد از کل این عنصر در سیاره ما را تشکیل می‌دهد. ایزوتوپ پایدار دیگر که تنها حدود ۰٫۰۰۰۱۳۷ درصد هلیوم زمین را به خود اختصاص می‌دهد، هلیوم ۳ با دو پروتون و یک نوترون است.

هلیوم ۴ در درجه‌ی اول محصول واپاشی رادیواکتیو اورانیوم و توریم است که روی زمین ساخته شده‌اند. در مقابل، هلیوم ۳ عمدتا قدمتی بسیار زیادتر دارد و لحظاتی پس از بیگ‌بنگ شکل گرفته است؛ گرچه بخشی از آن محصول فرعی واپاشی رادیواکتیو هیدروژن ۳ یا تریتیوم است.

نکته جالب توجه این است که وقتی آتشفشانی فوران می‌کند، مقادیر اندکی هلیوم ۳ در گازهای بیرون‌آمده از اعماق زمین شناسایی می‌شود. این اتفاق دانشمندان را به این فکر می‌اندازد که هلیوم آغازین که ممکن است از سحابی گاز و غبار خورشیدی تشکیل‌دهنده‌ی زمین جذب شده، در گوشته سیاره ما به دام افتاده باشد. پژوهش تاکزاوا و همکارانش منبع جایگزینی را پیشنهاد می‌کند.

کی هیروسه، فیزیکدان دانشگاه توکیو می‌گوید: «من سال‌های زیادی را صرف مطالعه فرآیندهای زمین‌شناسی و شیمیایی رخ‌داده در اعماق زمین کرده‌ام. با توجه به دما و فشار شدید موجود، برای بررسی برخی ابعاد این محیط‌ها، باید آزمایش‌هایی را برای شبیه‌سازی این شرایط غیرعادی ترتیب دهیم؛ بنابراین ما اغلب به یک سلول سندان الماسی گرم‌شده با لیزر رو می‌آوریم تا چنین فشارهایی را روی نمونه‌ها اعمال کنیم و نتیجه را ببینیم.»

در مورد اخیر، پژوهشگرها آهن و هلیوم را همراه با یکدیگر تحت فشار ۵ تا ۵۵ گیگاپاسکال در دمای هزار کلوین تا نزدیک به سه‌هزار کلوین فشرده کردند. این سطح از فشار معادل تقریبا ۵۰ هزار تا ۵۵۰ هزار برابر فشار جوی است و دمای به کار‌رفته نیز می‌تواند ایریدم را ذوب کنند؛ ماده‌ای که اغلب به خاطر مقاومت حرارتی بالا در شمع‌های موتور خودرو استفاده می‌شود.

براساس پژوهش‌های قبلی، هلیوم در چند دقیقه و در مقادیر کم به آهن متصل می‌شود؛ چیزی در محدوده‌ی تنها چند بخش هلیوم در یک میلیون بخش آهن.

تاکزاوا و همکارانش در آزمایش‌های خود نسبت هلیوم به آهن را ۳٫۳ درصد گزارش کردند. این میزان تقریبا پنج‌هزار برابر بیشتر از گزارش قبلی است و پژوهشگرها آن را به طراحی آزمایش خود نسبت می‌دهند. هیروس توضیح می‌دهد:

هلیوم در شرایط محیطی خیلی راحت فرار می‌کند؛ همه دیده‌اند که یک بادکنک بادی پژمرده و غرق می‌شود؛ بنابراین هنگام اندازه‌گیری به راهی برای جلوگیری از این امر نیاز داشتیم. گرچه سنتز مواد را در دمای بالا انجام دادیم، اندازه‌گیری‌های شیمیایی در دماهای بسیار سرد یا برودتی انجام شد. این روش از خروج هلیوم جلوگیری کرد و به ما اجازه داد هلیوم را در آهن تشخیص دهیم.

یافته‌ی پژوهشگرها نشان می‌دهد گرچه هلیوم در شرایط محیطی از نظر شیمیایی بی‌اثر است، یعنی با عنصرهای دیگر واکنش نشان نمی‌دهد، زمانی که شرایط به سطوح شدیدتر سوق داده می‌شود، می‌توان آن را وادار به تعامل کرد.

مخلوط‌شدن هلیوم به نوبه خود می‌تواند به این معنی باشد که هلیوم اولیه با شکل‌گیری سیاره به بدنه‌ی سیاره زمین جذب و به آهن متصل شد و در طول فرایند تمایز سیاره‌ای در هسته به دام افتاد. همچنین این کشف ممکن است به این معنی باشد که هلیوم اولیه در هسته‌ی ماه و مریخ نیز محبوس شده است.

کشف اخیر همچنین می‌تواند نتایج دیگری نیز داشته باشد. هلیوم اولیه در هسته سیاره ممکن است منبع ایزوتوپ‌های موجود در گازهای آتشفشانی باشد، نه مخزنی که در گوشته پایین‌تر به دام افتاده است.

هلیوم تنها عنصر با ایزوتوپ آغازین نیست، بلکه هیدروژن، سبک‌ترین عنصر نیز به شکل آغازین وجود دارد. اگر هلیوم آغازین در مرحله‌ی شکل‌گیری زمین به فراوانی وجود داشته، ممکن است هیدروژن نیز چنین بوده و به شکل‌گیری آب آغازین زمین کمک کرده باشد.