Физики из Китая и США с помощью численного моделирования показали, что в центре Земли может образоваться стабильное соединение гелия и оксида железа. Это соединение могло захватить первичный гелий на заре формирования Земли и сохранить его до настоящего времени, что объясняет необычно высокое отношение концентраций гелия-3 и гелия-4 в мантийных плюмах.

Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

На Земле гелий производится в двух типах процессов. С одной стороны, он образуется в результате альфа-распада радиоактивных элементов внутри земной коры (альфа-частицы — это ядра гелия-4). С другой стороны, геологи находят гелий в плюмах — горячих мантийных потоках, которые двигаются от ядра Земли до ее поверхности. Отношение концентраций гелия-3 и гелия-4 в таких плюмах в 50 раз превышает отношение концентраций в океанском базальте. Это указывает на то, что внутри земного ядра сохранился первичный гелий, который был захвачен Землей на ранних этапах формирования Солнечной системы.

К сожалению, ученые не знают, как земное ядро могло захватить первичный гелий. Дело в том, что электронные оболочки атома гелия полностью заполнены, а потому он практически не вступает в химические реакции и не образует устойчивых соединений с элементами земного ядра (железо, кремний, никель, кислород и так далее). Следовательно, первичный гелий, имеющий сравнительно низкую плотность, должен был давно улетучиться из ядра. Если бы это было так, геологи зарегистрировали бы в плюмах гораздо более низкую концентрацию гелия.

Группа ученых под руководством Янмин Ма (Yanming Ma) предположила, что при экстремальных условиях в центре Земли гелий все-таки вступает в химическую реакцию с элементами ядра и образует твердое устойчивое соединение. В самом деле, ранее исследователи уже сообщали об устойчивых соединениях гелия с водой, натрием, азотом и железом, которые возникают при высоких давлениях и температурах.

На этот раз физики выбрали в качестве исходного соединения диоксид железа FeO₂, находящийся при давлении от одного до трех миллионов атмосфер, соответствующих давлениям в центре Земли. С помощью программы CALYPSO, ранее разработанной той же группой исследователей, ученые «просканировали» возможные соединения гелия и FeO₂. Для этого физики случайным образом присоединяли к структуре атом гелия, а затем оценивали устойчивость получившегося материала, рассчитывая энергию в рамках теории функционала плотности. Если энергия соединения с гелием оказывалась меньше энергии исходного соединения, ученые сохраняли его, поскольку оно могло оказаться стабильным. После этого стабильность структуры дополнительно уточнялась независимыми инструментами.

В результате исследователи обнаружили редкое соединение FeO₂He, которое остается стабильным при давлении более 1,35 миллиона атмосфер и температуре 3000–5000 кельвинов, обладает кубической структурой и пространственной группой Fm-3m. Плотность вещества составляет примерно 7,2 грамм на кубический сантиметр, то есть «всплыть» на поверхность Земли оно не может. После этого физики рассчитали распределение зарядов внутри соединения и его зонную структуру. Оказалось, что в среднем на атом кислорода приходится заряд около 0,8e⁻, на атом железа — 1,64e⁻, а на атом гелия — 0,04e⁻ (e⁻ — элементарный заряд).

Этот результат показывает, что атом гелия выступает в качестве кулоновского щита, который стабилизирует соединение. Кроме того, ученые определили зонную структуру материала и показали, что он является полупроводником с непрямой запрещенной зоной шириной около 0,95 электронвольт (при давлении 1,35 миллионов атмосфер). Наконец, физики рассчитали скорость звука внутри FeO₂He. Оказалось, что эти параметры попадают в «ворота», установленные сейсмологическими наблюдениями. Таким образом, авторы статьи считают, что FeO₂He действительно может образоваться внутри земного ядра.

Кристаллическая решетка FeO₂He. Железо отмечено золотым, кислород — красным, гелий — белым / Jurong Zhang et al. / Physical Review Letters, 2018

Фазовая диаграмма соединения: в голубой области стабильно соединение FeO₂He, в розовой — FeO₂ и He по отдельности. Красным показана область параметров внутри, достигаемых внутри Земли / Jurong Zhang et al. / Physical Review Letters, 2018

Зонная структура (слева) и плотность состояний (справа) FeO₂He при различных давлениях / Jurong Zhang et al. / Physical Review Letters, 2018

Помимо соединений FeO₂, ученые аналогичным образом проверили, может ли гелий образовать устойчивое соединение MgO или MgSiO₃ при давлениях от одного до трех миллионов атмосфер. Как и ожидалось, ученым не удалось обнаружить такие соединения. Таким образом, авторы заключают, что FeO₂He является первым и единственным известным соединением, которые может сохранить первичный гелий внутри земного ядра.

Совсем недавно — в июле этого года — физики из Великобритании и США показали, что при давлениях порядка ста миллионов атмосфер гелий и железо образуют устойчивые соединения FeHe и FeHe₂. Тем не менее, такие соединения не могут сформироваться внутри Земли, поскольку давление в ее ядре не превышает 3,7 миллионов атмосфер. Следовательно, они не могут хранить внутри себя первичный гелий.