氦和铁可以在地球中心的温度和压力下混合的发现可以解决关于地球如何形成的长期争论。
科学家们发现地球的核心中可能有大量的氦，此前发现它在极端高温和压力下可以与铁混合。 （图片来源：Yuri_Arcurs via Getty Images）
新的研究表明，太阳系开始时的原始氦可能被困在地球的固体核心内。这些发现可能对关于地球形成速度的长期争论产生影响。
这种罕见的氦形式被称为氦-3，因为它的原子核中有两个质子和一个中子。普通氦比氦 700,000 倍常见 3 倍，被称为氦 4，因为它有两个质子和两个中子。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最初尘埃和气体云。
这种原始元素已经存在于地球内部。每年，大约 4.4 磅（2 千克）的氦-3 从地壳撕裂的洋中脊和从深地幔挖掘岩浆的火山热点中泄漏出来。但它究竟是如何在火星内部停留数十亿年的，是一个持久的谜。
氦是一种非常轻的气体，大多数挥发性气体早已逃离地幔，在形成月球的巨大撞击中被吹走，或者由于板块构造的不可阻挡的运动而被搅动到地表。
科学家们推测，也许这种原始氦被锁在地球核心中，在那里它不会受到重大干扰，并且泄漏到地表的速度非常缓慢。但核心主要是铁，氦和铁通常不会混合。
现在，在一项新的研究中，东京大学行星科学家广濑圭实验室的研究人员和他们的同事发现，在核心预期的温度和压力下，这两种元素实际上确实混合了。事实上，研究人员2月25日在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上报告说，在高温高压下的固体铁可能含有高达3.3%的氦气。
研究人员通过将铁和氦加热到 1,340 到 4,940 华氏度（727 到 2,727 摄氏度，或 1,000 到 3,000 开尔文）之间，同时用金刚石尖砧将元素压缩到地球表面压力的 50,000 到 550,000 倍之间，发现了这种兼容性。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，这种方法可能防止了测量阶段的氦气逸出。
这张使用称为二次离子质谱的技术制作的人工着色图像显示了高温和高压后的铁样品。它大约是人类头发的宽度。（图片来源：©2025 Hirose et al. CC-BY-ND）
研究人员在实验中使用了普通的氦-4，但氦-3的行为可能非常相似，新墨西哥大学（University of New Mexico）的地球物理学家彼得·奥尔森（Peter Olson）说，他没有参与这项研究，但研究的是地核。这些发现证实了氦可以长时间锁定在地球的固体内核中，但他警告说，只有 4% 的核心是固体。
“这很重要，因为它表明氦与核心的固相兼容，”Olson 说。“但是，由于核心几乎可以肯定是以液态形成的，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态部分。”
奥尔森说，弄清楚氦-3 在地球形成过程中是如何融入核心的，对于了解行星何时形成非常重要。像氦这样的轻气体在形成太阳系的气体和尘埃星云中徘徊了几百万年。
“地球形成需要多长时间，人们争论不休，”奥尔森说。“还有其他证据被解释为地球形成非常缓慢，需要 1 亿年。如果地球形成得那么慢，你就不会在地球深处得到多少氦。
换句话说，如果科学家能够证明地核含有大量的氦-3，那将强烈表明这颗行星形成得很快，解决了关于太阳系诞生的长期争论。
